新型智能膜模仿细胞逻辑，高效净水并提取金属

微量金属使合成膜可控制离子流动，为更智能的过滤与提取铺平道路。

想象一下，如果你的净水器能像细胞一样思考，决定让什么进入、阻挡什么、以及何时行动？

这正是芝加哥大学和西北大学的科学家们如今更接近实现的那种精确控制。

通过模仿活细胞控制离子（带电粒子）穿过其膜内微观通道的方式，该团队构建了一种人工系统。该系统可以调节以增强或抑制特定离子的通过，就像一种借鉴了生物学本能的智能膜。

离子玩出新花样

研究人员发现，添加微量金属离子（如铅、钴或钡）能极大地改变钾离子穿过合成埃尺度二维纳米通道的量。

仅增加1%的铅离子就使钾离子流量翻倍。这并非通过推动钾离子，而是通过恰到好处地减缓竞争离子，使钾离子能与氯离子配对，形成中性化合物，从而更容易地滑过通道。

“我们研究最令人兴奋的部分在于，我们展示了在存在其他离子（即使是非常微小的比例）的情况下，埃尺度二维通道中的离子传输会发生多么显著的变化，”该研究的共同第一作者王明占（音译）说。

这种仅通过调整离子混合物就能在增强和抑制离子流之间切换的能力，使工程师们离构建按需响应的智能膜更近了一步。这种控制能力可能彻底改变我们去除水中毒素、从盐水中回收锂等有价值矿物，甚至在未来的流体电子设备中管理流动的方式。

突破的核心

这一突破的核心是一种微小但强大的相互作用。离子携带正电荷或负电荷，当它们穿过通道时，这些电荷会与通道壁以及彼此相互作用。

该团队发现，当铅离子与通道壁上的乙酸根基团结合时，它们会微妙地改变静电环境。这种变化恰到好处地减缓了带负电的氯离子，使它们能与钾离子同步，形成中性的氯化钾对，从而更容易地穿过膜。

“（形成的氯化钾对）没有电荷让它想要与之相互作用，这使得这个新分子比两个离子单独流过通道时流动得更快，”西北大学化学教授乔治·沙茨（George Schatz）解释道。

膜获得智能

同样有趣的是，这种效应可以逆转。添加钴或钡离子会与铅离子竞争结合位点，从而破坏这种配对，减少氯化钾对的形成。

“通过改变离子种类的组合，我们能够从协同效应切换到抑制效应，”共同第一作者熊钦思（音译）说，“同样，理解其背后的物理机制至关重要。”

为此，该团队使用了定制的非平衡态分子动力学模拟，纳入了离子诱导的偶极相互作用，以模拟原子尺度上发生的情况。

“我们设计了一种非平衡态分子动力学模拟，以纳入离子诱导的偶极相互作用，并模拟离子穿过这个二维纳米通道的传输，”熊钦思说，“我们的结果与实验非常吻合，表明我们所包含的物理机制是正确的。”

钾离子的传输速度减慢了——就像把开关从“开”拨到了“关”。这是一个动态可控的系统，呼应了活细胞卓越的选择性。

应用前景广阔

这项研究的影响可能远超实验室。未来，膜或许能实时适应水污染，只去除有害离子。设备可能以最少的浪费从海水中提取锂。

在电子学领域，离子正成为流体计算的构建模块，可编程的离子流可能开启全新的技术。

该研究成果近期发表在《自然-通讯》期刊上。

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