许多工业活动依赖于将不同物质彼此分离。这些分离过程对于药物纯化、纺织染料处理和食品生产等任务至关重要。然而，它们也是制造业中能源密集度最高的操作之一，约占全球工业能源消耗的40%至50%。
大多数设施仍依赖于蒸馏和蒸发等传统方法。虽然有效，但这些方法需要消耗大量能源，并显著增加碳排放。基于膜的过滤通常被认为是一种更清洁的替代方案，但传统的聚合物膜通常含有尺寸不均的孔。随着时间的推移，这些孔可能会变形或降解，从而降低性能并限制其在苛刻工业环境中的实用性。
具有一纳米孔径的仿生POMbranes
CSMCRI（中央盐与海洋化学品研究所）资深科学家Shilpi Kushwaha博士表示：“为了解决这些局限性，我们设计了一类新型超选择性晶体膜，称为‘POMbranes’，其包含的孔径约为一纳米宽，比人类头发细数千倍。”
这种新型膜的灵感来源于水通道蛋白等生物系统，后者通过尺寸精确的通道调节分子的运动。为了实现这种控制水平，研究人员使用了多金属氧酸盐（POM）团簇。每个团簇都包含一个天然存在的开口，宽度恰好为1纳米，并保持永久稳定。
CSMCRI研究学者、该论文共同第一作者Priyanka Dobariya女士表示：“这些POM是微小的冠状金属团簇，其中心有一个永久、完美的孔，不会改变或变形，而这正是传统塑料过滤器面临的最大障碍。”
构建超薄分子筛
制造实用的膜需要将数十亿个这种微小的环状结构排列成连续、无缺陷的层。为了实现这一点，研究人员将柔性化学链连接到POM团簇上。
当这些改性团簇被放置在水面上时，它们自然展开并自组装成大面积的超薄膜。通过改变连接链的长度，团队能够控制团簇之间的堆积紧密程度。
IITGN（印度理工学院甘地纳格尔分校）材料工程系副教授Raghavan Ranganathan博士补充道：“这迫使分子通过唯一的开放路径——每个团簇中内置的一纳米孔——穿过膜，使该膜能够像高科技筛子一样运作。”
Ranganathan博士与IITGN博士生、该论文共同第一作者Vinay Thakur先生还进行了分子级模拟，揭示了该膜如何执行其过滤功能。
分离性能提升近十倍
测试表明，这些膜能够区分仅相差100-200道尔顿的分子，这种精度水平是传统聚合物膜极难达到的。
据CSMCRI首席科学家Ketan Patel博士介绍，这种能力可以为更可持续的制造工艺创造新机遇。
他表示：“与现有技术相比，我们的膜表现出近十倍的分离性能提升，同时保持了柔韧性、稳定性和可扩展性。”
“此外，这些膜具有柔韧性，在不同的酸度水平（pH范围）下保持稳定，并且可以制成大张薄片。如果要在工业界广泛采用这些膜，这种组合特性至关重要。”
纺织与水回收的潜在效益
该技术对印度的纺织和制药行业可能特别有价值，这两个行业在国家经济中都扮演着重要角色。
印度的纺织和服装部门贡献了超过2.3%的GDP，约占工业产值的13%。国内市场目前估值约为1600亿至2250亿美元，预计到2030年将扩展至2500亿至3500亿美元。
纺织印染和后整理操作产生大量受污染的废水，使得染料去除和水回用成为持续的挑战。新型膜能够选择性地去除染料分子，同时允许水被回收利用，从而减少淡水需求和化学废物。随着印度废水处理市场的持续增长，这一优势尤为重要。
在制药生产中的应用
这些膜也可能使制药生产受益，因为高精度的分离对于产品质量和生产效率至关重要。
Vinay Thakur先生指出：“药物纯化和溶剂回收等工艺既能源密集又对质量敏感。像这样的高选择性膜可以降低能源消耗，同时保持制药生产所需的严格标准。”
面向可持续制造的平台技术
研究人员将这种新型POMbranes描述为一种多功能平台技术。其可调节的结构、高选择性以及承受苛刻化学环境的能力，使其适用于广泛的工业分离任务，从废水处理到高级化学制造。
随着工业界日益寻求结合效率、耐用性和可持续性的技术，分子工程膜可能成为下一代制造系统的重要组成部分。通过应用生物学中常见的原理——分子尺度的精确控制，并将其转化为可扩展的材料技术，研究人员展示了仿生设计如何帮助解决重大的工业挑战。