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水在膜里究竟怎么走？一次顛覆傳統(tǒng)模型的深度解析

在全球水資源短缺與能源轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)下，膜分離技術(shù)已成為連接水與能源體系的關(guān)鍵樞紐。從海水淡化、廢水回用到資源回收與綠色制氫，納米及亞納米孔膜材料正承擔著前所未有的戰(zhàn)略使命。然而，盡管反滲透（RO）、納濾（NF）與離子交換膜（IEM）已廣泛應(yīng)用數(shù)十年，水與離子在這些高度異質(zhì)、多孔聚合物膜中的分子級傳輸機制仍未被真正厘清。傳統(tǒng)宏觀模型依賴簡化假設(shè)，納米流體學揭示出諸多反常現(xiàn)象，而分子模擬雖可窺見原子尺度細節(jié)，卻難以與工程尺度建立直接聯(lián)系。如何跨越分子、微觀與宏觀尺度之間的鴻溝，構(gòu)建統(tǒng)一、可預(yù)測的傳輸理論框架，已成為膜科學領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

近日，來自萊斯大學Menachem Elimelech院士團隊系統(tǒng)整合了宏觀模型、納米與埃尺度流體學，以及分子動力學模擬的最新進展，提出了一個多尺度統(tǒng)一框架，用于理解和設(shè)計下一代高性能膜材料。文章不僅批判性回顧了溶解–擴散模型等經(jīng)典理論的局限，還結(jié)合納米流體學中的極限限域現(xiàn)象與分子模擬的原子級證據(jù)，揭示水與離子在復(fù)雜多孔網(wǎng)絡(luò)中的真實運動圖景，并進一步提出通過單通道模型與理想多孔膜平臺實現(xiàn)跨尺度橋接的研究路徑，為未來膜材料的理性設(shè)計奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果以 “A multiscale perspective for understanding transport mechanisms in desalination and ion-selective membranes”為題發(fā)表在《Nature Water》上，中國學者Hanqing Fan為第一作者。

水—能源交匯處的選擇性分離膜全景圖

圖1a展示了膜材料在水與能源領(lǐng)域中的核心地位：其孔徑通常介于0.5–2 nm之間，傳輸驅(qū)動力來自壓力梯度或電場。圖1b中，反滲透膜在壓力作用下允許水分子通過亞納米孔，而將Na?、Cl?等鹽離子有效截留；然而，小分子中性溶質(zhì)（如硼、1,4-二氧六環(huán)）卻難以完全去除。圖1c顯示納濾膜孔徑略大，可區(qū)分單價與多價離子，實現(xiàn)例如Li?/Mg2?分離。圖1d與圖1e分別展示陽離子與陰離子交換膜，其內(nèi)部帶有固定電荷，通過Donnan效應(yīng)排斥同號離子、選擇性傳導(dǎo)反號離子。圖1f–i進一步延展至實際應(yīng)用場景，包括海水淡化、水凈化、鋰資源回收及水電解制氫。這一組圖清晰描繪出膜分離技術(shù)在水—能源交匯體系中的戰(zhàn)略意義，也揭示出不同膜體系在結(jié)構(gòu)與選擇性機制上的本質(zhì)差異。

圖1 水與能源領(lǐng)域中用于多種應(yīng)用的選擇性分離膜。

宏觀傳輸模型的演變與局限

圖2a–c對比了三種水傳輸框架。傳統(tǒng)溶解–擴散（SD）模型（圖2a）認為水首先溶解進入“致密”膜層，再沿濃度梯度擴散；但近年來分子動力學與實驗結(jié)果顯示，膜內(nèi)部存在真實孔道結(jié)構(gòu)，水的傳輸更符合孔流模型（圖2b、2c），呈現(xiàn)壓力梯度驅(qū)動的達西型粘性流動。圖2d與圖2e分別展示SD與SDEM模型在離子傳輸中的處理方式，后者引入電勢梯度，但仍依賴經(jīng)驗滲透系數(shù)。圖2f則詳細呈現(xiàn)DSPM-DE模型中的三種分配機制：Donnan排斥、空間位阻與介電排斥。圖2g指出離子遷移受擴展Nernst–Planck方程控制，包括擴散、對流與電遷移。圖2h對比水動力阻滯與摩擦阻滯機制。整體而言，圖2揭示：現(xiàn)有宏觀模型雖在工程預(yù)測中具有實用價值，但其對孔結(jié)構(gòu)、脫水效應(yīng)及分子間摩擦的處理高度簡化，難以捕捉真實物理本質(zhì)。

圖2 宏觀傳輸現(xiàn)象與模型。

納米與埃尺度流體學的“反常”現(xiàn)象

圖3a顯示，在納米限域下，水的介電常數(shù)顯著下降，出現(xiàn)所謂“電學死水層”。圖3b與圖3c展示亞納米碳納米管與人工水通道中的單列水鏈結(jié)構(gòu)與超快滑移流動，水的通量遠超經(jīng)典預(yù)測。圖3d則揭示在埃尺度狹縫中，離子遷移率與其水合直徑呈明顯相關(guān)性。圖3e表明金屬性碳納米管的水滲透性高于半導(dǎo)體型納米管，提示通道電子結(jié)構(gòu)會影響摩擦。圖3f甚至涉及量子摩擦與動量隧穿現(xiàn)象。這些結(jié)果表明，經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)方程在納米尺度仍具穩(wěn)健性，但已不再充分。界面摩擦、脫水、電子極化乃至量子效應(yīng)均可能主導(dǎo)傳輸行為。

圖3 納米流體系統(tǒng)中極端限域條件下的非常規(guī)現(xiàn)象。

分子動力學揭示膜內(nèi)真實傳輸機制

圖4a–c揭示聚酰胺膜的動態(tài)孔結(jié)構(gòu)：孔隙并非固定，而是在納秒尺度不斷開啟、閉合與重組。壓力作用下孔體積分數(shù)略降，但瞬時連通路徑增加。圖4d與圖4e顯示，在非平衡MD模擬中，水濃度在膜內(nèi)幾乎均勻，而壓力沿厚度線性下降，直接否定了SD模型假設(shè)。圖4f進一步表明水通量與壓力呈線性關(guān)系，符合達西定律。圖4g與圖4h則深入離子傳輸機制。離子進入孔道前需部分脫水，形成顯著自由能勢壘；進入后還需克服與膜內(nèi)官能團結(jié)合產(chǎn)生的遷移阻力。脫水能壘與結(jié)合摩擦共同決定離子選擇性，多價離子因更高水合能而更難穿透。這一系列結(jié)果標志著膜傳輸機制的范式轉(zhuǎn)變：水以簇狀粘性流動方式穿越孔網(wǎng)，離子則需翻越脫水與結(jié)合雙重能壘。

圖4 分子動力學模擬揭示膜內(nèi)傳輸機制。

跨尺度整合的研究藍圖

圖5a構(gòu)建了一個四維協(xié)同框架：宏觀模型、分子模擬、納米/埃尺度實驗與先進表征技術(shù)相互驗證、持續(xù)反饋。圖5b提出分級策略：首先研究單一理想通道，再構(gòu)建均一多孔模型膜，最終過渡至真實異質(zhì)聚合物膜。作者指出，只有通過這種從單通道到多孔網(wǎng)絡(luò)再到工程膜的階梯式整合，才能真正建立具有預(yù)測能力的多尺度傳輸模型，并打破傳統(tǒng)滲透性–選擇性權(quán)衡。

圖5 架起宏觀傳輸模型與分子尺度機制之間橋梁的研究框架

小結(jié)

文章最后指出，現(xiàn)有膜模型對脫水效應(yīng)、離子–離子關(guān)聯(lián)及膜內(nèi)空間異質(zhì)性仍缺乏充分描述。未來研究需結(jié)合分子模擬、物理約束機器學習與先進原位表征，實現(xiàn)從埃尺度到工程尺度的參數(shù)映射與模型統(tǒng)一。同時，通過構(gòu)建具有精確孔徑與可調(diào)界面化學的理想納米通道膜，有望突破傳統(tǒng)聚合物膜的性能極限。多尺度整合不僅是理論挑戰(zhàn)，更是實現(xiàn)水資源安全與能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。隨著分子模擬、納米流體學與人工智能的深度融合，膜科學正邁向一個以“分子設(shè)計”為核心的新階段。