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（来源：北京怀柔）
近日，中国科学院大学（以下简称国科大）纳米科学与工程学院（以下简称纳米学院）杨金雷副教授（第一作者）与合作者中国科学院国家纳米科学中心（以下简称国家纳米中心）唐智勇研究员、李连山研究员团队，在学术期刊Nature Nanotechnology上发表了题为“Hydration layer mediates near-frictionless sieving of monovalent ions”的研究论文。该工作通过构建动态埃级“水孔”，利用溶剂分子介导的短程相互作用，成功实现对一价阳3离子的高选择性与高通量分离，为突破传统纳孔膜的“渗透性与选择性”这一长期存在的权衡难题提供了全新范式。
基于水合层相互作用筛分单价阳离子
离子分离膜在盐湖提锂、水处理和资源回收中扮演着关键角色，但传统基于尺寸排阻、静电排斥甚至依赖离子“脱水能”的策略，往往为了追求高选择性而牺牲了渗透通量，或者在复杂高盐环境下失效。“我们团队意识到，在现实的溶液环境中，离子表面并非裸露，而是被一层水分子紧紧包裹——即水合层。然而，这一水合层引发的短程相互作用，长期以来在膜分离科学中都被忽略了。”
在这项工作中，杨金雷和团队在单层共价有机框架（COF）膜的孔边缘巧妙地锚定水合离子，构筑出有效尺寸约为0.8nm的动态“水孔”。我们发现，离子能否穿过水孔，完全取决于水合层的“柔性”。水合层较柔韧的钾离子（K+）在靠近孔道时，会与其他水合层发生“融合”，产生强烈的相互吸引力，从而获得近乎“无摩擦”的超快传输。相反，水合层刚性的锂离子（Li+）在受限空间内会发生水合层的“挤压”，产生强烈的排斥力，从而被有效阻滞在孔外。实验数据显示，K+的传输活化能仅为5.5 kcal/mol，已经接近其在水溶液中的本征扩散活化能。在浓度梯度驱动下，该膜展现出了惊人的分离性能：K+/Li+的选择性高达148，且K+的渗透率突破到了2×104 mol m-2 h-1，比国际现有最先进的分离膜高出了整整三个数量级。
“这项研究中最令我感到兴奋的，是我们打破了‘同种电荷离子必然相斥’的传统物理认知。” 杨金雷在国科大纳米学院开展此项研究的同时，也在不断思考其对未来分离技术的启示。在水分子尺度的亚纳米限域下，通过巧妙调控水合层的柔韧性，竟然能主动引导离子之间产生吸引，或者维持排斥。“这种基于微观水合层结构的调控策略，为应对更具挑战性的纳孔膜分离难题提供了崭新的设计思路。” 在他看来，这项技术未来有望在从高盐卤水中精准提取锂离子、稀土元素的高效分离，以及复杂工业高盐废水处理等物化性质极度接近的物种分离场景中发挥重要作用。
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