一种新型仿生膜利用完全均匀的一纳米孔径，以极高的精度过滤分子。该技术有望变革制药和纺织等行业，通过降低能耗、提高水资源回用率，并实现远超现有过滤器的分离性能。
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%。
大多数工厂仍依赖蒸馏和蒸发等传统方法。虽然有效，但这些方法消耗大量能源，并导致大量的碳排放。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尺寸不均的孔隙。随着时间的推移，这些孔隙会变形或降解，导致性能下降，限制了其在严苛工业环境中的应用。
具有一纳米孔隙的仿生POMbranes
CSMCRI高级科学家Shilpi Kushwaha博士表示：“为了解决这些局限性，我们设计了一类名为‘POMbranes’的新型超选择性晶体膜，其中包含宽约一纳米的孔隙，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，这类系统通过尺寸精确的通道调节分子的运动。为了实现这种程度的控制，研究人员使用了多金属氧酸盐（POM）簇。每个簇都包含一个天然存在的孔口，其宽度精确为1纳米，并能保持永久稳定。
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。为此，研究人员将柔性化学链连接到POM簇上。
当这些改性簇被置于水面时，它们会自然铺展并自组织成大面积的超薄膜。通过改变连接链的长度，团队能够控制簇与簇之间排列的紧密程度。
IITGN材料工程系副教授Raghavan Ranganathan博士补充道：“这迫使分子只能通过唯一的开放路径，即每个簇内置的一纳米孔洞穿过膜，从而使该膜能够像高科技筛网一样工作。”
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，揭示了这些膜如何实现其过滤功能。
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。
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。
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，同时兼具柔韧性、稳定性和可规模化生产的特点。”
“此外，这些膜具有柔韧性，在不同酸度水平（pH范围）下保持稳定，并且可以制成大面积片材。如果要在工业界广泛应用，这些特性的结合至关重要。”
纺织业与水循环利用的潜在效益
这项技术对印度的纺织和制药行业可能极具价值，这两个行业在印度经济中扮演着重要角色。
印度的纺织服装行业贡献了超过2.3%的GDP，约占工业产值的13%。目前其国内市场价值约为1600亿至2250亿美元，预计到2030年将扩展至2500亿至3500亿美元。
纺织染色和整理工序会产生大量受污染的废水，使得染料去除和水回用成为长期的挑战。这种新型膜能够选择性地去除染料分子，同时允许水循环利用，从而减少淡水需求和化学废物排放。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。
在制药生产中的应用
这些膜也有益于制药生产，在该领域，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属高耗能工艺，又对质量高度敏感。此类高选择性膜能够在降低能耗的同时，满足制药生产所需的严苛标准。”
面向可持续制造的平台技术
研究人员将这种新型POMbranes描述为一种通用的平台技术。其可调节的结构、高选择性以及耐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兼具效率、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，并将其转化为可规模化的材料技术，研究人员展示了仿生设计如何助力解决重大工业挑战。