高性能膜，最新Nature大子刊！

水在膜里究竟怎么走？一次颠覆传统模型的深度解析

在全球水资源短缺与能源转型的双重挑战下，膜分离技术已成为连接水与能源体系的关键枢纽。从海水淡化、废水回用到资源回收与绿色制氢，纳米及亚纳米孔膜材料正承担着前所未有的战略使命。然而，尽管反渗透（RO）、纳滤（NF）与离子交换膜（IEM）已广泛应用数十年，水与离子在这些高度异质、多孔聚合物膜中的分子级传输机制仍未被真正厘清。传统宏观模型依赖简化假设，纳米流体学揭示出诸多反常现象，而分子模拟虽可窥见原子尺度细节，却难以与工程尺度建立直接联系。如何跨越分子、微观与宏观尺度之间的鸿沟，构建统一、可预测的传输理论框架，已成为膜科学领域的核心挑战。

近日，来自莱斯大学Menachem Elimelech院士团队系统整合了宏观模型、纳米与埃尺度流体学，以及分子动力学模拟的最新进展，提出了一个多尺度统一框架，用于理解和设计下一代高性能膜材料。文章不仅批判性回顾了溶解–扩散模型等经典理论的局限，还结合纳米流体学中的极限限域现象与分子模拟的原子级证据，揭示水与离子在复杂多孔网络中的真实运动图景，并进一步提出通过单通道模型与理想多孔膜平台实现跨尺度桥接的研究路径，为未来膜材料的理性设计奠定基础。相关成果以 “A multiscale perspective for understanding transport mechanisms in desalination and ion-selective membranes”为题发表在《Nature Water》上，中国学者Hanqing Fan为第一作者。

水—能源交汇处的选择性分离膜全景图

图1a展示了膜材料在水与能源领域中的核心地位：其孔径通常介于0.5–2 nm之间，传输驱动力来自压力梯度或电场。图1b中，反渗透膜在压力作用下允许水分子通过亚纳米孔，而将Na⁺、Cl⁻等盐离子有效截留；然而，小分子中性溶质（如硼、1,4-二氧六环）却难以完全去除。图1c显示纳滤膜孔径略大，可区分单价与多价离子，实现例如Li⁺/Mg²⁺分离。图1d与图1e分别展示阳离子与阴离子交换膜，其内部带有固定电荷，通过Donnan效应排斥同号离子、选择性传导反号离子。图1f–i进一步延展至实际应用场景，包括海水淡化、水净化、锂资源回收及水电解制氢。这一组图清晰描绘出膜分离技术在水—能源交汇体系中的战略意义，也揭示出不同膜体系在结构与选择性机制上的本质差异。

图1 水与能源领域中用于多种应用的选择性分离膜。

宏观传输模型的演变与局限

图2a–c对比了三种水传输框架。传统溶解–扩散（SD）模型（图2a）认为水首先溶解进入“致密”膜层，再沿浓度梯度扩散；但近年来分子动力学与实验结果显示，膜内部存在真实孔道结构，水的传输更符合孔流模型（图2b、2c），呈现压力梯度驱动的达西型粘性流动。图2d与图2e分别展示SD与SDEM模型在离子传输中的处理方式，后者引入电势梯度，但仍依赖经验渗透系数。图2f则详细呈现DSPM-DE模型中的三种分配机制：Donnan排斥、空间位阻与介电排斥。图2g指出离子迁移受扩展Nernst–Planck方程控制，包括扩散、对流与电迁移。图2h对比水动力阻滞与摩擦阻滞机制。整体而言，图2揭示：现有宏观模型虽在工程预测中具有实用价值，但其对孔结构、脱水效应及分子间摩擦的处理高度简化，难以捕捉真实物理本质。

图2 宏观传输现象与模型。

纳米与埃尺度流体学的“反常”现象

图3a显示，在纳米限域下，水的介电常数显著下降，出现所谓“电学死水层”。图3b与图3c展示亚纳米碳纳米管与人工水通道中的单列水链结构与超快滑移流动，水的通量远超经典预测。图3d则揭示在埃尺度狭缝中，离子迁移率与其水合直径呈明显相关性。图3e表明金属性碳纳米管的水渗透性高于半导体型纳米管，提示通道电子结构会影响摩擦。图3f甚至涉及量子摩擦与动量隧穿现象。这些结果表明，经典连续介质方程在纳米尺度仍具稳健性，但已不再充分。界面摩擦、脱水、电子极化乃至量子效应均可能主导传输行为。

图3 纳米流体系统中极端限域条件下的非常规现象。

分子动力学揭示膜内真实传输机制

图4a–c揭示聚酰胺膜的动态孔结构：孔隙并非固定，而是在纳秒尺度不断开启、闭合与重组。压力作用下孔体积分数略降，但瞬时连通路径增加。图4d与图4e显示，在非平衡MD模拟中，水浓度在膜内几乎均匀，而压力沿厚度线性下降，直接否定了SD模型假设。图4f进一步表明水通量与压力呈线性关系，符合达西定律。图4g与图4h则深入离子传输机制。离子进入孔道前需部分脱水，形成显著自由能势垒；进入后还需克服与膜内官能团结合产生的迁移阻力。脱水能垒与结合摩擦共同决定离子选择性，多价离子因更高水合能而更难穿透。这一系列结果标志着膜传输机制的范式转变：水以簇状粘性流动方式穿越孔网，离子则需翻越脱水与结合双重能垒。

图4 分子动力学模拟揭示膜内传输机制。

跨尺度整合的研究蓝图

图5a构建了一个四维协同框架：宏观模型、分子模拟、纳米/埃尺度实验与先进表征技术相互验证、持续反馈。图5b提出分级策略：首先研究单一理想通道，再构建均一多孔模型膜，最终过渡至真实异质聚合物膜。作者指出，只有通过这种从单通道到多孔网络再到工程膜的阶梯式整合，才能真正建立具有预测能力的多尺度传输模型，并打破传统渗透性–选择性权衡。

图5 架起宏观传输模型与分子尺度机制之间桥梁的研究框架

小结

文章最后指出，现有膜模型对脱水效应、离子–离子关联及膜内空间异质性仍缺乏充分描述。未来研究需结合分子模拟、物理约束机器学习与先进原位表征，实现从埃尺度到工程尺度的参数映射与模型统一。同时，通过构建具有精确孔径与可调界面化学的理想纳米通道膜，有望突破传统聚合物膜的性能极限。多尺度整合不仅是理论挑战，更是实现水资源安全与能源可持续发展的关键。随着分子模拟、纳米流体学与人工智能的深度融合，膜科学正迈向一个以“分子设计”为核心的新阶段。