【導讀】
大自然利用分子和流體在分子尺度上以一種高效而有結構的分離訪新方式做出了許多了不起的事情。?一個例子是膜水水通道蛋白(AQPs)，這是道時代的到專一種生物水蛋白納米通道，以其高超的加坡水運輸能力(>109個分子/ s)和排斥所有溶質的能力而聞名。?然而，工程再現AQPs中觀察到的院院令人印象深刻的復雜行為并不是一件容易的事情，因為納米尺度上的士材流體和離子的行為在許多方面與經典連續介質力學不同。水通道是料牛推動下一代海水淡化和水處理膜發展的關鍵支柱之一。在過去的分離訪新二十年中，納米技術的膜水興起匯集了大量多功能納米通道，這些納米通道有望重新發明分離膜，道時代的到專其性能超過了水-能源關系中最先進的加坡聚合物膜。如今，工程這些水納米通道可以大致分為生物、院院仿生和合成，士材因為它們具有不同的性質、物理化學性質和膜納米結構的方法。此外，在不同分離機制的背景下，不同類型的納米通道表現出獨特的優點和局限性，這決定了它們對不同膜設計的可用性和適用性。
【成果掠影】
近日，新加坡南洋理工大學王蓉教授團隊（新加坡膜技術中心）概述了一系列納米通道的進展，包括水通道蛋白、柱[5]芳烴、I-quartets、不同類型的納米管及其孔蛋白、石墨烯基材料、金屬和共價有機框架、多孔有機籠、MoS2和 MXenes，并對它們的潛力進行了比較。首先，通過研究納米通道多年來的演變來繪制背景，然后從化學的角度關注這些通道的關鍵物理化學和固有傳輸特性來討論它們的最新發展。接下來，展望了可以將納米結構水通道變成高性能納米通道膜的制造方法，特別關注每種納米通道的明顯差異以及如何利用它們來釋放所承諾的高水傳輸潛力在當前主流的膜設計中。最后，批判性地評估了最近的研究結果，以提供關于膜工程中最受重視的屬性的納米通道的整體定性評估，然后討論即將到來的挑戰，以與研究人員分享觀點，以在這個時代的到來中尋找未來的方向水道。相關成果以“The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic”發表在Chemical Society Reviews上。
那么，這種結構與生物系統中的天然通道間的異同是什么？它在我們的實際生活中有哪些不為人知的應用？帶著諸多問題，材料人網特別邀請到新加坡工程院院士、南洋理工大學土木與環境工程學院院長王蓉教授進行專訪。請王老師來為我們講解有關納米結構水通道的前世今生。
首先，對于納米水通道與生物系統中的天然通道間的異同，王蓉教授講到：
“這些水通道之間的主要相似之處在于它們具有持久的空隙，并可以區分分子或亞納米尺度上相似尺寸的混合物，允許水分子通過。 生物通道是源自生物科學的天然通道；仿生通道是指受生物通道的啟發而特意設計，用于模擬生物通道的的化學合成物；而合成通道是指為水傳輸而合理設計，具有水傳輸特性的納米材料，它不需要模仿生物通道的構型。”至于這種結構在實際生活中那些不為人知的應用，王教授說：“在我們的日常生活中，人們可能不太關注水通道蛋白。但是，各種不同細菌、真菌、動物和植物細胞的細胞膜都含有水通道蛋白。水通道蛋白在生物細胞膜上形成孔，主要促進細胞間水的快速運輸。例如，在人體腎臟里，水通道蛋白在尿液濃縮和稀釋過程中發揮關鍵作用。”
在海水淡化領域，相比其他手段，分離膜具備哪些優勢？王老師分析道：
目前，海水淡化基于反滲透或熱源技術。海水反滲透 (SWRO)方法由于其更低的能量需求和更低的占地面積，在市場上占據主導地位。 通俗地說，膜脫鹽技術是占主導地位的技術，因為它比蒸餾等基于熱源的方法效率高、能耗低。
【數據概況】
圖1 水納米通道的演變。
圖2 水納米通道的研究成果統計。
二十余年來納米通道技術不斷更新、發展，王蓉教授團隊在文種做出了詳實的講解。細數生物、仿生以及合成的納米通道里，有哪些重要進展給王教授留下了深刻印象？她這樣回答道： 水通道材料是推動下一代海水淡化和水處理膜技術發展的關鍵支柱之一。?生物通道為我們合成仿生通道提供了指導，這些來自大自然的靈感促使研究人員構建了多種仿生通道，能夠模擬水通道蛋白的傳輸特性，實驗結果和分子動力學模擬都證實了它們的高透水性和選擇性。與仿生通道相比，合成通道也有長足的發展。在過去的二十年里，超分子化學和納米技術的進步引發了大量多功能納米通道的發明，大大促進了新型分離膜的制備，其性能可以超過水-能源關系中最先進的聚合物膜。這些進展，令人矚目。
圖3?合成水通道——石墨烯基材料。
圖4?合成水通道——金屬和共價有機框架。
圖5?結合水納米通道的膜納米結構——制作方法。
圖6?展望——下一代膜的生物、仿生與合成通道
這份工作里，王蓉教授對下一代膜的生物、仿生與合成通道進行了展望。那么，與之前報道過的成果相比，課題組在文中展望的下一代膜的生物、仿生與合成通道未來該去向何方？王蓉教授同樣有著很深的見解：與生物通道相比，仿生通道和合成通道的主要優勢在于其更高的可加工性和可調節性，其更豐富的化學性質證明了這一點，這使它們能夠適應更廣泛的溶劑系統和一系列化學功能化。此外，合成的二維納米通道幾乎可以加工成膜用于脫鹽和水凈化的所有設計，因此被認為具有最大的多功能性。由于尚未解決的通道和聚合物不相容性導致非理想的界面形態，生物通道還沒有達到可以放大并用于實際應用的程度。因此，合成通道的豐富化學性質可以實現多種功能化，用于優化與膜選擇性層的相容性，從而最大限度地減少缺陷的形成。從穩定性的角度來看，考慮到碳納米管和石墨烯基材料在形成強共軛系統的 sp2?雜化碳原子的驅動下具有化學惰性，因此合成納米通道比生物和仿生納米通道略占優勢。隨后，談到接下來團隊的工作方向，王蓉教授認為 接下來，研究團隊將繼續開拓將水納米通道與先進的膜制備技術相結合的新方法，并注重提高技術準備水平，促進新的膜技術的產業化。
說到產業化，納米通道距離產業化究竟還有多遠，與哪些行業、產業的聯系在未來會更加密切？王老師給我們分享道：在我們看來，納米通道離商業化并不遙遠，已有多種技術可以大規模生產納米通道。 此外，還有多種技術可以將納米通道構建成實際應用的平臺。 例如，一些公司通過改造當前的生產線，將納米通道整合到膜制備的化學試劑中，已經展示了大規模生產包含納米通道的下一代海水淡化膜的能力。其次，基于現階段的經驗及數據，納米通道將與催化、膜分離、化學傳感或電池、燃料電池等能源和環境科學領域緊密相連。當然，其中水分離膜將占據最大的市場份額。?
圖7 展望——水納米通道的合理設計到分子水平
【成果啟示】
總的來說，生物通道往往具有最佳性能，而合成通道由于其豐富的化學成分和結構多樣性可以包含更廣泛的多樣性，因此更加可調和通用化學改性和膜設計。此外，盡管具有明顯的優勢，但每種類型的納米通道面臨的挑戰無處不在，主要涉及污染、長期穩定性和壽命以及膜工程問題，例如模塊設計優化。因此，作者提供他們的視角來幫助應對這些挑戰，并突出他們認為將做出最重要貢獻的未來方向。
參考文獻：Lim, Y. J.;?Goh, K.; Wang, R., The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic. Chemical Society Reviews 2022, 51 (11), 4537-4582.
https://doi.org/10.1039/D1CS01061A
