突破上限，性能提升上万倍！人造“细胞膜”，高效海水淡化新视角
网易号4月1日讯：由于淡水资源的日益枯竭和污染，长时间以来科学家们一直致力于如何高效地将海水纯化转变为可饮用地淡水，其中使用反渗透分离膜是一种较节约能源和环保的手段而备受研究人员的青睐，但是为了保证高的水/离子选择性，大大牺牲了反渗透分离膜中水的渗透率，所以 如何实现高的选择性同时还有高的渗透率 一直是科学家们的研究目标。其实大自然中存在很多大量智能且分离、传输性能优异的反渗透膜—细胞膜，在细胞膜上有大量的 水通道蛋白(AQP) ，它可以高选择性地将水和离子向细胞内外传输，从而保证生物体正常运行所需要的盐浓度。
受到AQP结构对水高传输速度以及高选择性的启发， 宾夕法尼亚州立大学 Manish Kumar 、 Ratul Chowdhury教授 团队联合伊利诺伊大学 Aleksei Aksimentiev教授 团队设计合成了一种 内部具有三维连通孔道的多孔大分子(PAH[4]s)， 将其组装到双层磷脂分子中制备的反渗透分离膜显示出了极高的水渗透率和水/盐(NaCl)分离系数，测试结果显示 单个PAH[4]s分子通道1秒钟可以传输10 9 个水分子， 水的渗透率可以达到(2.2 ± 0.2) × 10 -6 cm -2 s -1，而NaCl的的渗透率仅为(1.9 ± 0.7) × 10 -15 cm -2 s -1，因此 水/NaCl的分离系数超过10 9(这一数值超过目前反渗透分离膜上限4个数量级)， 性能接近天然AQP。而计算机模拟结果显示这是 PAH[4]s分子聚集成簇协同内部 三维多孔结构使水分子的聚集形态( 氢键数量减少 )发生了变化而引起的， 这为海水高效淡化的研究开辟了新的思路和建立了新的传输通道模型。这项研究以题为“ Artificial water channels enable fast and selective water permeation through water-wire networks”的论文发表在《 Nature Nanotechnology》期刊上(后附原文链接)。
该研究中分离膜的核心传输通道—多孔PAH[4]s分子结构如图1所示，它主要是由两部分组成，中间是芳烃环结构，在芳烃环中上下各连接了4个多肽分子，这些分子之间也可以形成多孔结构，在与双层磷脂复合之后， PAH[4]s会自组装形成团簇结构，因此在该分离膜中， 用于分离的不仅是中间的芳烃环结构，PAH[4]s内部或之间形成的三维连通孔通道也可以对物质进行传输，表征结果显示PAH[4]s中可用于水传输通道的 尺寸介于5~7.5 之间。
图1.(a)~(d)为PAH[4]s分子结构与通道结构；(e)、(f) PAH[4]s分子簇内部水的传输通道与传统的单向通道结构示意图；(g)、(f) PAH[4]s分子组装到双层磷脂中逐渐自组装成PAH[4]s分子簇的过程；(h) PAH[4]s/磷脂复合膜AFM图片；(g)、(f)复合膜中通道结构的分子模拟结果
作者分别对水和Cl -离子在PAH[4]s/磷脂复合膜中的渗透性能进行了表征，结果显示随着复合膜中PAH[4]s含量的增加，水的渗透率不断提高。 单个PAH[4]s通道内部每秒钟最大可以传输(3.7 ± 0.3) × 109 个H 2 O分子(接近AQP的4.0 × 10 9 )，水的传输量可以达到1.1 ± 0.1) × 10 -13 cm -3 s -1，而Cl -在单个PAH[4]s通道内部的传输量只有(9.5 ± 3.6) × 10 -23 cm -3 s -1，因此 PAH[4]s/磷脂复合膜中水/离子分离系数可以达到10 9， 远远大于海水淡化反渗透膜需要的16000。
图2. PAH[4]s/磷脂复合膜与其它反渗透分离膜的水传输、水/离子分离性能对比
结合实验结果和分子模拟，作者发现在与双层磷脂复合后，PAH[4]s分子间倾向于 聚集成簇， 这大大提升了通道的密度，而在这些埃米级通道内部， 水分子的氢键个数被大幅度减小(进入通道前平均每个水分子含有3.5个氢键，通道内部平均每个水分子只含有1.5个氢键)，因而在 通道内部水分子的聚集形态发生了变化，这 有利于水的快速传输；而较小的通道可以限制体积较大的(水合)离子进入，因此体现出很高的分离系数。
图3.水分子在PAH[4]s/磷脂复合膜和AQP中的模拟结果；其中，PAH[4]s/磷脂膜通道中水的氢键数量比AQP中要多一些，PAH[4]s/磷脂膜也有根长的传输时间和路径长度，因此AQP显示出更优异的水传输性能
总结：作者通过合成制备得到了具有 三维连通结构的单分子分离孔道，将其与双层磷脂复合后制备的反渗透分离膜显出了 类似于水通道蛋白的超高水传输和离子选择性能，单个通道在1秒钟之内可以传输(3.7±0.3)×10 9个H 2O分子，H 2O/NaCl分离系数可达10 9。而这是通过通道内部 对水分子聚集态结构的改变以及对 离子的尺寸效应综合引起的，这 为高效海水淡化膜的设计提供了新的思路。2020年1月10日，《 Nature Nanotechnology》编辑部以“A fresh look at desalination”为题目，对本文进行推荐。
