科学家发现膜的新行为，可能导致前所未有的分离

想象一下，一场势均力敌的篮球比赛，最终打到了最后一枪。球穿过篮筐的概率可能相当低，但如果球员有机会一次又一次地投篮，它会大大增加

在膜分离的科学领域也有类似的想法，膜分离是从生物技术到石化、水处理到食品和饮料等行业的关键过程

“分离是我们日常生活中使用的许多产品的核心，”美国能源部阿贡国家实验室能源水系统先进材料中心负责人Seth Darling说。“膜是实现高效分离的关键。”

许多商业工艺都使用膜来分离不同大小的溶质，这些溶质是溶解在水或其他流体中的物质。几乎所有的商用膜都是多分散的，这意味着它们的孔径并不一致。对于这些膜，几乎不可能对材料进行尖锐的分离，因为不同尺寸的溶质可以通过不同的孔

Darling和他在阿贡大学和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的同事一直对研究等孔膜的性质感兴趣，这些膜中所有的孔都是相同大小的

此前，科学家们认为，在纳米尺度上实现的分离的清晰度是有限的，这不仅是因为孔径的变化，还因为一种被称为“阻碍传输”的现象。

阻碍传输是指溶质试图穿过孔隙时流体介质的内部阻力

“那些较慢的溶质似乎会被膜排斥。与直觉相反，即使是孔径一半大小的物体，也会在大约一半的时间内被排斥。”他解释道，克服传输受阻造成的排斥将使基于尺寸的分离具有前所未有的选择性

Darling说：“我们感兴趣的方案涉及直径约10纳米的孔隙。有了完美的膜和适当的工艺设计，我们相信我们可以分离出尺寸相差5%的溶质。目前的膜没有机会做到这一点。”

在一项新的研究中，Darling和他的同事发现了一种只有通过研究等孔膜才能揭示的动态，这为克服受阻的运输限制带来了希望。一篇基于这项研究的论文发表在6月20日的《自然之水》在线版上

Darling补充道：“到目前为止，科学家们一直隐含地假设，每种溶质只有一次通过孔隙的尝试，而受阻的传输会导致许多小于孔隙大小的溶质被排斥，导致它们留在进料流中，而不是输出流中。”

“虽然这对一些人来说可能很明显，但人们从未真正考虑过溶质可以多次尝试穿过膜的情况。”

要让溶质分子有多次机会穿过孔，需要将进料溶液循环数周

Darling说：“即使经过长时间的实验，我们仍然只能看到单个溶质平均几次试图通过孔，但这在使分离曲线朝着更尖锐的阶梯状函数移动方面产生了很大的影响。”

“如果时间更长，或者更有可能改进工艺设计，我们相信我们将在孔径与溶质尺寸匹配的地方看到清晰、清晰的分离。”

从等孔膜中学到的见解可能适用于现有的膜材料，这些材料旨在增加溶质通过孔的机会

“如果这些基础研究能够成功地转移到工业膜分离中，它可能会对我们经济的许多部门产生巨大影响，”他说