吉林
水一旦被壓縮到納米級的狹小縫隙里，物理性質會發生顯著改變，其凍結溫度會顯著低于0℃。
中國科學院理化技術研究所聯合香港城市大學、北京師范大學等團隊，正是利用了這一微觀現象，給氧化石墨烯薄膜裝上了一個可以“按需調節”的精控開關，實現氧化石墨烯-高分子復合膜材料層間距有效調控，在保持水分子快速通過的同時，實現了對離子的精確篩選。相關成果于7月15日發表于國際期刊《自然》。
層間距調控分子機制
如何平衡一張薄膜的三個目標？
氧化石墨烯膜由二維片層堆疊而成，片層之間的納米級縫隙，就是物質傳輸的通道。
理想狀態下，這張膜應同時具備三項性能：水分子快速通過、目標離子被精準攔截、結構長期穩定不變形。
一般而言，縫隙寬，通量增加，但選擇性下降；縫隙窄，選擇性提高，但通量受限。更棘手的是，在水環境中長期使用，膜層結構會發生溶脹，縫隙逐漸擴大，穩定性難以保證。
利用“冰點差”，將“聚集組裝”與“聚合反應”分步實施
如何破解這一困局？研究團隊注意到一個關鍵細節，在膜層間的納米限域環境中，水的結冰溫度會被顯著延遲，遠低于0℃，而膜外體相水則在常規溫度下結冰。這一溫差恰好提供了一個寶貴的時間窗口。
限域冰控法構建氧化石墨烯二維片層-高分子復合膜材料
基于此，團隊原創提出“先組裝控距、后聚合固距”的兩步調控機制。第一步，低溫組裝，在低溫條件下，層間液態水環境下，小分子單體進入層間限域空間，在特定含氧官能團附近快速聚集，將層間距精確控制在預設尺度。
第二步，降溫固化。隨后降低溫度，，已經聚集組裝的單體會緩慢發生聚合反應，原位轉化為高分子支柱，將層間距進行穩定。
通過這一“分子組裝-聚合反應時標分離”策略，原本耦合在一起的兩個步驟被徹底分開，層間距的控制和固定不再互相干擾，實現了對膜結構的有效調控。
離子分離精度達到亞埃米級別
這套調控方法的效果如何？研究團隊通過實驗驗證，采用該方法制備的復合膜，能夠有效分離水合直徑差異極小的一對離子——銣離子與鉀離子，二者在水中的水合直徑相差不足0.1埃。這個尺度大約相當于一根頭發絲直徑的百萬分之一。
這意味著，該膜材料不僅能夠保障較高的水通量，還具備極高的離子篩選精度，為鹽湖提鋰、海水淡化及關鍵戰略金屬回收等應用場景提供了新的技術可能。
研究證實，該方法可適配于多巴胺、丙烯酰胺、多元胺-多元酸等多種能夠在限域空間內組裝-交聯的分子體系，展現出良好的通用性。與此同時，團隊結合大量實驗與多尺度理論計算，系統揭示了納米限域條件下分子組裝、聚合固化及層間距調控的微觀機制，為后續研究提供了理論指導。
從“水結冰”這一常見現象出發，研究團隊開辟了一條全新的材料精密制造路徑。這項成果標志著我國在二維膜分離材料領域取得重要突破，有望為解決水資源短缺和關鍵礦產資源供給問題提供新的解決方案。（宋雅娟）
來源： 光明網
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