由於淡水資源的日益枯竭和汙染，長時間以來科學家們一直致力於如何高效地將海水純化轉變為可飲用地淡水，其中使用反滲透分離膜是一種較節約能源和環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，所以如何實現高的選擇性同時還有高的滲透率一直是科學家們的研究目標。其實大自然中存在很多大量智能且分離、傳輸性能優異的反滲透膜—細胞膜，在細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胞內外傳輸，從而保證生物體正常運行所需要的鹽濃度。
受到AQP結構對水高傳輸速度以及高選擇性的啟發，賓夕法尼亞州立大學Manish Kumar、Ratul Chowdhury教授團隊聯合伊利諾伊大學Aleksei Aksimentiev教授團隊設計合成了一種內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製備的反滲透分離膜顯示出了極高的水滲透率和水/鹽(NaCl)分離係數，測試結果顯示單個PAH[4]s分子通道1秒鐘可以傳輸109個水分子，水的滲透率可以達到(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的分離係數超過109(這一數值超過目前反滲透分離膜上限4個數量級)，性能接近天然AQP。而計算機模擬結果顯示這是PAH[4]s分子聚集成簇協同內部三維多孔結構使水分子的聚集形態(氫鍵數量減少)發生了變化而引起的，這為海水高效淡化的研究開闢了新的思路和建立了新的傳輸通道模型。這項研究以題為“Artificial water channels enable fast and selective water permeation through water-wire networks”的論文發表在《Nature Nanotechnology》期刊上(後附原文鏈接)。
該研究中分離膜的核心傳輸通道—多孔PAH[4]s分子結構如圖1所示，它主要是由兩部分組成，中間是芳烴環結構，在芳烴環中上下各連接了4個多肽分子，這些分子之間也可以形成多孔結構，在與雙層磷脂複合之後，PAH[4]s會自組裝形成團簇結構，因此在該分離膜中，用於分離的不僅是中間的芳烴環結構，PAH[4]s內部或之間形成的三維連通孔通道也可以對物質進行傳輸，表徵結果顯示PAH[4]s中可用於水傳輸通道的尺寸介於5~7.5 Å之間。
圖1.(a)~(d)為PAH[4]s分子結構與通道結構；(e)、(f) PAH[4]s分子簇內部水的傳輸通道與傳統的單向通道結構示意圖；(g)、(f) PAH[4]s分子組裝到雙層磷脂中逐漸自組裝成PAH[4]s分子簇的過程；(h) PAH[4]s/磷脂複合膜AFM圖片；(g)、(f)複合膜中通道結構的分子模擬結果
作者分別對水和Cl-離子在PAH[4]s/磷脂複合膜中的滲透性能進行了表徵，結果顯示隨著複合膜中PAH[4]s含量的增加，水的滲透率不斷提高。單個PAH[4]s通道內部每秒鐘最大可以傳輸(3.7 ± 0.3) × 109 個H2O分子(接近AQP的4.0 × 109)，水的傳輸量可以達到1.1 ± 0.1) × 10-13 cm-3 s-1，而Cl-在單個PAH[4]s通道內部的傳輸量只有(9.5 ± 3.6) × 10-23 cm-3 s-1，因此PAH[4]s/磷脂複合膜中水/離子分離係數可以達到109，遠遠大於海水淡化反滲透膜需要的16000。
圖2. PAH[4]s/磷脂複合膜與其它反滲透分離膜的水傳輸、水/離子分離性能對比
結合實驗結果和分子模擬，作者發現在與雙層磷脂複合後，PAH[4]s分子間傾向於聚集成簇，這大大提升了通道的密度，而在這些埃米級通道內部，水分子的氫鍵個數被大幅度減小(進入通道前平均每個水分子含有3.5個氫鍵，通道內部平均每個水分子只含有1.5個氫鍵)，因而在通道內部水分子的聚集形態發生了變化，這有利於水的快速傳輸；而較小的通道可以限制體積較大的(水合)離子進入，因此體現出很高的分離係數。
圖3.水分子在PAH[4]s/磷脂複合膜和AQP中的模擬結果；其中，PAH[4]s/磷脂膜通道中水的氫鍵數量比AQP中要多一些，PAH[4]s/磷脂膜也有根長的傳輸時間和路徑長度，因此AQP顯示出更優異的水傳輸性能
總結：作者通過合成製備得到了具有三維連通結構的單分子分離孔道，將其與雙層磷脂複合後製備的反滲透分離膜顯出了類似於水通道蛋白的超高水傳輸和離子選擇性能，單個通道在1秒鐘之內可以傳輸(3.7±0.3)×109個H2O分子，H2O/NaCl分離係數可達109。而這是通過通道內部對水分子聚集態結構的改變以及對離子的尺寸效應綜合引起的，這為高效海水淡化膜的設計提供了新的思路。2020年1月10日，《Nature Nanotechnology》編輯部以“A fresh look at desalination”為題目，對本文進行推薦。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0586-8
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