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消耗最大的工序之一，约占全球工业能源消耗的40%至50%。
大多数工厂仍依赖蒸馏和蒸发等传统方法。虽然这些方法有效，但需要消耗大量能源，并显著增加碳排放。膜过滤通常被视为一种更清洁的替代方案，但传统的聚合物膜往往含有大小不均的孔隙。随着时间的推移，这些孔隙会变形或降解，从而降低性能，并限制了其在苛刻工业环境中的实用性。
具有一纳米孔隙的仿生POM膜
“为了解决这些局限性，我们设计了一类被称为‘POM膜’的新型超高选择性结晶膜，其孔隙宽度约为1纳米，比人类头发丝细数千倍，”CSMCRI资深科学家Shilpi Kushwaha博士说。
这种新型膜的灵感来源于生物系统，例如水通道蛋白，它们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，宽度精确为1纳米，并且保持永久稳定。
CSMCRI研究学者、该论文共同第一作者Priyanka Dobariya女士表示：“这些POM是微小的皇冠形金属团簇，其中心有一个永久、完美的孔，不会改变或变形，而这正是传统塑料滤膜面临的最大障碍。”
构建超薄分子筛
要制造出实用的膜，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，它们自然铺展并自组装成大面积的超薄膜。通过改变连接链的长度，团队能够控制团簇排列的紧密程度。
“这迫使分子只能通过唯一的开放路径——即每个团簇中内置的一纳米孔洞——穿过膜，使该膜能够像高科技筛子一样工作，”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。
Ranganathan博士与IITGN博士研究生、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过滤功能。
分离性能提升近十倍
测试表明，这种膜能够区分仅相差100-200道尔顿的分子，这种精度水平用传统聚合物膜极难实现。
CSMCRI首席科学家Ketan Patel博士认为，这种能力可以为更可持续的制造工艺创造新机遇。
“与现有技术相比，我们的膜表现出近十倍更优的分离性能，同时保持了柔韧性、稳定性和可扩展性，”他说。
“此外，这些膜具有柔韧性，在不同酸度水平（pH值范围）下保持稳定，并且可以制成大张膜片。如果要在工业界广泛采用，这些特性的结合至关重要。”
对纺织业和水循环利用的潜在益处
这项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。
印度的纺织和服装行业贡献了超过2.3%的GDP，约占工业总产值的13%。目前国内市场估值在1600亿至2250亿美元之间，预计到2030年将扩展至2500亿至3500亿美元。
纺织印染和后整理工序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。这种新型膜能够选择性地去除染料分子，同时允许水被循环利用，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，这一优势显得尤为重要。
在药物制造中的应用
这种膜也有益于药物生产，在该领域，高精度的分离对产品质量和生产效率至关重要。
“药物纯化和溶剂回收等过程既能源密集又对质量敏感，”Vinay Thakur先生指出。“像这样的高选择性膜可以降低能源消耗，同时保持药物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POM膜描述为一种通用的平台技术。其可调的结构、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，从废水处理到先进的化学制造。
随着工业界日益寻求集高效、耐用和可持续于一体的技术，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。