第一篇：可增強淡化效果的仿生人造水通道膜
▲第一作者：Maria Di Vincenzo
通訊作者：Mihail Barboiu
通訊單位：法國蒙彼利埃大學歐洲膜材料研究所
DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00796-x
研究背景
受生物蛋白的啓發，人造水通道（AWC）可用于改造傳統淡化膜的性能。在複合聚酰胺中進行合理的摻入是一種改造仿生膜的新思路，該仿生膜在反滲透淡化條件下具有很高的水鹽滲透率。本文報道了AWC在可擴展仿生膜中的結合過程，其性能優于經典的反滲透膜。新合成方法從納米結構的膠體自組裝超結構開始，結合AWC進行優化，從而得到具有選擇性水運輸通道的結構。
本文亮點
1. 利用雜化聚酰胺呈現出的更大的空隙和可以無縫結合I-四方AWC結構的這一特性，達到可高度選擇性地輸送水的目的。
2. 這些仿生膜可輕松縮放，以適用于工業標准（> m2），在65 bar和35,000 ppm NaCl進料溶液中、水通量爲75 L m-2 h-1的海水淡化條件下，可提供99.5％的NaCl截留率或91.4％的硼截留率。該通量比具有同等溶質截留率的最新膜的通量高出75％以上，這意味著在用于淡化並且在相同的出水量條件下，該膜可以等效減少所需能量的12%以上。
圖文解析
▲圖1 | 膜的制備和SEM表征
要點：
TFC-HC6膜的合成程序（a圖）：
步驟1：用HC6（己基脲基乙基咪唑）水溶液或乙醇溶液浸漬PSf（聚砜）超濾載體；
步驟2：用MPD（間苯二胺）單體水溶液浸漬該載體；
步驟3：用帶有己烷的TMC單體的溶液浸漬該載體，從而開始界面聚合（IP）反應，最終獲得結合了AWC的聚酰胺薄膜複合材料（PA TFC-HC6）。
▲圖2 | 膜的形態TEM表征
▲圖3 | 膜在海水和微鹹水脫鹽中的性能
要點：
過濾條件爲：65 bar的壓力和35,000 3ppm的NaCl進料溶液、在pH 8下進行海水淡化；在pH 7的條件下，以18 bar的壓力和5,800 ppm的NaCl進料溶液進行鹹水淡化。在該過濾條件下，HC6優化的TFC膜的透水率要比普通的帶HC6的TFC膜和TFC膜的透水率要高，同時，HC6優化的TFC膜的對于特定物質的攔截率高于99.8%。
▲圖4 | 膜在典型的海水淡化操作中的應用
總結
嵌入式自組裝AWC結構不會在膜最上面的有源層産生缺陷結構。高選擇性的AWC本質上是通過具有較大表面積的選擇性AWC嵌入層來促進具有選擇性穿透行爲膜的透水過程。這也表明AWC與周圍的PA基質具有出色的結構相容性，同時這也是構建具備無缺陷無縫的活性層的必要條件。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00796-x
第二篇：具有可編程的水和離子通道的二維自適應膜
▲第一作者：Daria V. Andreeva
通訊作者：Kostya S. Novoselov
通訊單位：新加坡國立大學
DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00795-y
研究背景
膜在自然界無處不在，其主要功能包括自適應過濾和分子種類的選擇性轉運。對于細胞功能至關重要，它們在科學和技術的許多領域中也至關重要。適應性和可編程膜尤其重要，它們可以根據環境改變其滲透性或選擇性。
本文亮點
本文探索了在人造膜中實現生物學功能的過程，並證明了氧化石墨烯（GO）和多胺大分子(PA)的二維自組裝異質結構可以形成離子通道網絡結構，該離子通道表現出水和單價離子的可調節滲透性，同時可以通過改變pH值或某些離子的存在來調節這種滲透性。與傳統的膜不同，本文報道的膜的調節機制依賴于膜內部成分與離子之間的特定相互作用。根據這些性質可以制造具有可編程的、提前預定滲透性和選擇性的膜，該膜由組分的選擇、構造以及帶電狀態決定。
圖文解析
▲圖1 | GO-PA膜（氧化石墨烯-多胺大分子）的結構
要點：
GO-PA膜是由兩層PA（多胺大分子）夾在三層GO（氧化石墨烯）膜構成（類似于三明治結構），其中的PA可根據不同的pH條件下的情況生成不同的形態的PA構造，從而達到形成具有特定選擇性通道的效果（圖b、g）。
▲圖2 | GO-PA膜的選擇性滲透性
要點：
在pH值從2到11的測試過程中，當pH值在2附近的時候，該膜的水通過流量最大，並且隨著pH值的升高而下降（圖a、f、g、h）
▲圖3 | 內部和外部反離子濃度産生滲透水示意圖。（pH 1、pH 2和pH 4時用綠色箭頭表示水的傳輸，pH 7時用紅色箭頭表示水傳輸）
要點：
在pH爲1、2、4的情況下，GO膜由于受到PA的作用開放了水通道，導致PA區域的水濃度升高（圖中的右側部分），並且在pH爲2的時候這一開放力度最大（濃度差最明顯）。
▲圖4 | 通過pH調節GO-PA 25 kDa膜的離子滲透率示意圖
總結
就控制水傳輸和選擇性離子滲透性而言，本文介紹的膜的仿生行爲是一個令人震驚的結果，這對于創建自適應膜至關重要。此外，即使是在生理條件下，GO-PA膜仍然具有可操作性並且是高度動態的。離子選擇性和滲透性可以在制備階段進一步編程（例如，通過選擇聚離子的強度及其分子量）從而爲其應用創造機會。例如，有可能設計出具有選擇性K+ / Na+離子透過的膜，用以提取Li+或分離Cs+。 另一方面，該膜采用了調節水和離子滲透性的新機制，進一步研究此類機制對于理解和構建刺激響應性複合材料具有至關重要的意義。利用GO-PA膜可以構建相對簡單的人造結構，從而可再現生物性的特性，例如可轉換的離子滲透性和選擇性。具有選擇性釋放離子的膜的進一步發展可能會催生出超級納米電容器，也能用于锂離子電池、淨化萃取放射性Cs+、以及用于離子電子和神經形態設備。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-00795-y