冰点差异变“智能开关”,中国团队破解精细分离难题
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2026-07-23 02:25:50

材料与化学实验主题配图

在很多工业过程中,把大小差异明显的物质分开并不难,真正困难的是分离那些尺寸几乎一样的离子。它们之间的差别可能小到不足0.1埃,相当于百亿分之一米量级的一小部分,却可能决定盐湖资源提取、化工纯化和新材料制备的效率。

中国科学院7月20日介绍,中国科学院理化技术研究所等团队利用“限域水”和外部普通水之间的冰点差异,提出了一种新的二维复合分离膜制备方法。团队通过调控氧化石墨烯片层之间的亚纳米通道,实现了对水合直径差异小于0.1埃的铷离子和钾离子的有效分离,相关成果发表于《自然》。

这项研究最巧妙的地方,是把水结冰时的状态变化变成了材料制造过程中的“时间开关”。在二维材料非常狭窄的层间空间里,水的冻结温度会明显降低。也就是说,当膜外的水已经结冰时,膜层内部的水仍可能保持液态。科研人员利用这种差异,把原本同时发生、难以控制的分子组装和聚合固化拆成两个步骤。

可以把它简单理解为“先把通道摆好,再把结构固定”。第一步,单体分子在片层之间进行有序组装,控制通道距离;第二步再通过聚合反应把这个间距稳定下来。这样既能够让水分子快速通过,又能精确筛选特定离子,还改善了二维膜在水环境中容易膨胀和失去稳定性的问题。

传统分离膜经常面临一个矛盾:通量提高后,选择性可能下降;筛选越精细,水通过的速度又可能变慢;长期浸泡还可能导致结构变化。此次研究尝试同时兼顾通量、选择性和稳定性,这也是它能够发表在高水平期刊的重要原因。

铷和钾的化学性质非常接近,分离难度较高。铷在特种玻璃、电子器件和科研领域具有应用价值,但自然资源中通常与钾等元素混合存在。如果未来能够把这种精细膜分离方法放大并降低成本,可能为盐湖和矿产资源的高效利用提供新工具。

不过,目前成果仍然主要属于材料机理和实验室方法突破。工业化还需要解决大面积膜制备、长期耐用性、复杂溶液中的抗污染能力、能耗和成本等问题。论文中实现了精细分离,不等于相关技术已经可以直接进入生产线。

这项研究的价值不仅在于分离铷和钾,更在于提出了一种利用限域水相变调控材料结构的新思路。它可能应用到更多分子体系和二维材料中,为膜材料精密制造打开新的方向。

很多前沿科研并不像消费电子新品那样立刻改变生活,却可能在多年后成为资源提取和工业制造的底层技术。把微小的冰点差异变成控制纳米通道的“智能开关”,正是基础研究中非常有代表性的创新方式。

信息来源:中国科学院、中国科学院理化技术研究所及相关论文公开信息。配图为实验室主题示意图。

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