網(wǎng)易號(hào)4月1日訊：由于淡水資源的日益枯竭和污染，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)科學(xué)家們一直致力于如何高效地將海水純化轉(zhuǎn)變?yōu)榭娠嬘玫氐渲惺褂梅礉B透分離膜是一種較節(jié)約能源和環(huán)保的手段而備受研究人員的青睞，但是為了保證高的水/離子選擇性，大大犧牲了反滲透分離膜中水的滲透率，所以 如何實(shí)現(xiàn)高的選擇性同時(shí)還有高的滲透率 一直是科學(xué)家們的研究目標(biāo)。其實(shí)大自然中存在很多大量智能且分離、傳輸性能優(yōu)異的反滲透膜—細(xì)胞膜，在細(xì)胞膜上有大量的 水通道蛋白(AQP) ，它可以高選擇性地將水和離子向細(xì)胞內(nèi)外傳輸，從而保證生物體正常運(yùn)行所需要的鹽濃度。

        受到AQP結(jié)構(gòu)對(duì)水高傳輸速度以及高選擇性的啟發(fā)， 賓夕法尼亞州立大學(xué) Manish Kumar 、 Ratul Chowdhury教授 團(tuán)隊(duì)聯(lián)合伊利諾伊大學(xué) Aleksei Aksimentiev教授 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種 內(nèi)部具有三維連通孔道的多孔大分子(PAH[4]s)， 將其組裝到雙層磷脂分子中制備的反滲透分離膜顯示出了極高的水滲透率和水/鹽(NaCl)分離系數(shù)，測(cè)試結(jié)果顯示 單個(gè)PAH[4]s分子通道1秒鐘可以傳輸10 9 個(gè)水分子， 水的滲透率可以達(dá)到(2.2 ± 0.2) × 10 -6 cm -2 s -1，而NaCl的的滲透率僅為(1.9 ± 0.7) × 10 -15 cm -2 s -1，因此 水/NaCl的分離系數(shù)超過(guò)10 9(這一數(shù)值超過(guò)目前反滲透分離膜上限4個(gè)數(shù)量級(jí))， 性能接近天然AQP。而計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示這是 PAH[4]s分子聚集成簇協(xié)同內(nèi)部 三維多孔結(jié)構(gòu)使水分子的聚集形態(tài)( 氫鍵數(shù)量減少 )發(fā)生了變化而引起的， 這為海水高效淡化的研究開(kāi)辟了新的思路和建立了新的傳輸通道模型。這項(xiàng)研究以題為“ Artificial water channels enable fast and selective water permeation through water-wire networks”的論文發(fā)表在《 Nature Nanotechnology》期刊上(后附原文鏈接)。

        該研究中分離膜的核心傳輸通道—多孔PAH[4]s分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要是由兩部分組成，中間是芳烴環(huán)結(jié)構(gòu)，在芳烴環(huán)中上下各連接了4個(gè)多肽分子，這些分子之間也可以形成多孔結(jié)構(gòu)，在與雙層磷脂復(fù)合之后， PAH[4]s會(huì)自組裝形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，因此在該分離膜中， 用于分離的不僅是中間的芳烴環(huán)結(jié)構(gòu)，PAH[4]s內(nèi)部或之間形成的三維連通孔通道也可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行傳輸，表征結(jié)果顯示PAH[4]s中可用于水傳輸通道的 尺寸介于5~7.5 之間。

        圖1.(a)~(d)為PAH[4]s分子結(jié)構(gòu)與通道結(jié)構(gòu)；(e)、(f) PAH[4]s分子簇內(nèi)部水的傳輸通道與傳統(tǒng)的單向通道結(jié)構(gòu)示意圖；(g)、(f) PAH[4]s分子組裝到雙層磷脂中逐漸自組裝成PAH[4]s分子簇的過(guò)程；(h) PAH[4]s/磷脂復(fù)合膜AFM圖片；(g)、(f)復(fù)合膜中通道結(jié)構(gòu)的分子模擬結(jié)果

        作者分別對(duì)水和Cl -離子在PAH[4]s/磷脂復(fù)合膜中的滲透性能進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示隨著復(fù)合膜中PAH[4]s含量的增加，水的滲透率不斷提高。 單個(gè)PAH[4]s通道內(nèi)部每秒鐘最大可以傳輸(3.7 ± 0.3) × 109 個(gè)H 2 O分子(接近AQP的4.0 × 10 9 )，水的傳輸量可以達(dá)到1.1 ± 0.1) × 10 -13 cm -3 s -1，而Cl -在單個(gè)PAH[4]s通道內(nèi)部的傳輸量只有(9.5 ± 3.6) × 10 -23 cm -3 s -1，因此 PAH[4]s/磷脂復(fù)合膜中水/離子分離系數(shù)可以達(dá)到10 9， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海水淡化反滲透膜需要的16000。

        圖2. PAH[4]s/磷脂復(fù)合膜與其它反滲透分離膜的水傳輸、水/離子分離性能對(duì)比

        結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分子模擬，作者發(fā)現(xiàn)在與雙層磷脂復(fù)合后，PAH[4]s分子間傾向于 聚集成簇， 這大大提升了通道的密度，而在這些埃米級(jí)通道內(nèi)部， 水分子的氫鍵個(gè)數(shù)被大幅度減小(進(jìn)入通道前平均每個(gè)水分子含有3.5個(gè)氫鍵，通道內(nèi)部平均每個(gè)水分子只含有1.5個(gè)氫鍵)，因而在 通道內(nèi)部水分子的聚集形態(tài)發(fā)生了變化，這 有利于水的快速傳輸；而較小的通道可以限制體積較大的(水合)離子進(jìn)入，因此體現(xiàn)出很高的分離系數(shù)。

        圖3.水分子在PAH[4]s/磷脂復(fù)合膜和AQP中的模擬結(jié)果；其中，PAH[4]s/磷脂膜通道中水的氫鍵數(shù)量比AQP中要多一些，PAH[4]s/磷脂膜也有根長(zhǎng)的傳輸時(shí)間和路徑長(zhǎng)度，因此AQP顯示出更優(yōu)異的水傳輸性能

總結(jié)：作者通過(guò)合成制備得到了具有 三維連通結(jié)構(gòu)的單分子分離孔道，將其與雙層磷脂復(fù)合后制備的反滲透分離膜顯出了 類(lèi)似于水通道蛋白的超高水傳輸和離子選擇性能，單個(gè)通道在1秒鐘之內(nèi)可以傳輸(3.7±0.3)×10 9個(gè)H 2O分子，H 2O/NaCl分離系數(shù)可達(dá)10 9。而這是通過(guò)通道內(nèi)部 對(duì)水分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的改變以及對(duì) 離子的尺寸效應(yīng)綜合引起的，這 為高效海水淡化膜的設(shè)計(jì)提供了新的思路。2020年1月10日，《 Nature Nanotechnology》編輯部以“A fresh look at desalination”為題目，對(duì)本文進(jìn)行推薦。