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17
2026
-
07
Nature: 亚埃级调控，石墨烯氧化物膜迈向“精准离子筛分”新高度
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背景
二维层状膜因其独特的纳米限域结构，在水处理与离子分离领域展现出巨大潜力。其中，石墨烯氧化物膜（GOM）依托可调层间距与超快水传输通道，被视为仿生纳米通道的典型代表。然而，其实际应用长期受限于两个核心问题：一是层间距在水环境中易膨胀失稳，难以保持筛分窗口；二是现有调控手段往往只能实现离散调节，难以达到亚埃级连续可控。这一限制直接制约了GOM在高精度离子筛分中的应用，尤其是对水合尺寸*其接近的离子体系（如碱金属离子）的分离。如何在保证结构稳定的同时，实现亚纳米甚至亚埃级的层间距调控，成为推动该类膜材料走向实际应用的关键科学问题。
创新
近日，中国科学院理化技术研究所王健君研究员团队联合香港城市大学曾晓成教授团队提出“组装–反应时间尺度分离”的全新策略，通过多巴胺分子在纳米限域水中的快速组装与后续缓慢聚合反应，实现对层间距的调控与稳定固化 。其核心在于利用纳米限域水与体相水冰点差异：在低温条件下，膜外水结冰而层间水仍保持液态，使多巴胺分子能够在层间快速自组装形成“纳米支柱”，从而实现对层间距的连续调节；随后通过进一步降温冻结体系，并利用较慢的聚合与共价反应将结构“锁定”，最终获得稳定的聚多巴胺支撑结构。这一策略不仅实现了*低至5.9 Å的层间距调控，还可在水环境中稳定存在，并实现对水合半径差异小于0.1 Å的离子（如Rb⁺/K⁺）的*分离，分离因子高达5320，同时保持高水通量与长期运行稳定性。
意义
该工作突破了二维膜层间距“不可连续调控”的传统认知，实现了真正意义上的亚埃级精度调控，为离子筛分从“纳米级”迈向“原子级”提供了关键技术路径。从应用角度看，这一策略显著提升了膜在海水淡化与资源回收中的性能潜力，在保证高选择性的同时实现高通量与长周期稳定运行，为*水处理技术提供了新的解决方案。更重要的是，该研究提出了一种基于纳米限域效应与反应动力学耦合的结构调控范式，将“时间尺度调控”引入膜结构设计中，为二维纳米通道材料的构筑提供了普适思路。其意义不仅限于石墨烯氧化物膜，也为更广泛的纳米流体与分离材料体系开辟了新的研究方向。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ie2TnJDaN3c9ERqxa9ZqJg
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