东京大学 亚纳米液晶水处理膜对通过的物质有很高的选择性
信用:加藤和原田等人
具有微孔的膜可用于水过滤
孔径大小对水过滤的影响是众所周知的，就像离子的作用一样，带电原子与膜相互作用
作为过滤机制的一部分，研究人员首次成功地描述了水分子对其他水分子和离子的影响
研究人员详细说明了水分子之间的反馈系统，这为高选择性膜的设计开辟了新的可能性
应用程序可能包括病毒过滤器
合成化学是一个与创造和探索自然界中不存在的新物质和新材料相关的研究领域
有时，在制药或高科技制造等应用中，材料的特定属性或行为是必需的
合成化学可以帮助找到、创造或提炼合适的材料
例如，所谓的合成液晶膜可以用于水过滤
过滤水或其他液体时，目的是从目标液体中分离化学成分，如离子
使用多孔膜可能是这样做的主要方法
很明显，表面上的洞会阻止任何比洞大的东西通过
但是像合成液晶膜这样的高级膜可以有几纳米，十亿分之一米宽的孔
在这些尺度上，膜的功能不仅仅是孔的大小
东京大学化学与生物技术系的加藤隆志教授说:“化学在这些小规模的研究中扮演了重要角色。”
“在水过滤的情况下，孔的大小不能让大于水的东西通过
然而，离子和孔之间也有静电力
如果材料设计正确，这些力可以进一步阻挡离子，即使它们比孔小
这是相当容易理解的
但是还有另一种重要的物质在起作用，它可以影响水的过滤，这实际上是水分子本身
" 东京大学固体物理研究所的吉久原田教授和他的团队开始全面描述长期以来一直被怀疑但以前从未被解释过的东西:孔隙位置的水分子如何与周围的水分子和离子相互作用
在这个微小的尺度上，这实际上是非常重要的，即使是微小的力也能影响过滤膜的整体性能
从物理系统中提取这种信息也是极其困难的
原田说:“理论上，我们可以使用计算机模拟来精确模拟水在过滤过程中的行为和相互作用，但这种模拟需要大量的超级计算能力。”
“因此，至少最初，我们转向一种物理方法来探索这些机制，称为基于同步加速器的高分辨率软x光发射光谱学
这本身就是一个极其复杂的挑战
" 这个过程的工作原理是从同步加速器(一种粒子加速器)获取x光辐射，并将其导向待分析的样本
在被高分辨率传感器检测和记录之前，样品，在这种情况下是膜和水分子，改变了x光束的一些特征
施加在x光束上的变化以很高的精确度告诉研究人员样品中发生了什么
“这不容易，”原田说
“由于膜很薄，我们期望从孔中的目标水分子得到的信号很难与大量其他水分子产生的背景信号区分开来
因此，我们必须减去背景电平信号，使我们的目标信号更加明显
但现在我很高兴我们能够首次描述水作为其主体材料的一部分
通过执行这种基础科学，我们希望它能为其他人提供工具
" 该团队的新模型描述了水分子之间的相互作用是如何被附近的带电粒子调节的
在膜孔中，以某种方式调制的水分子优先与体积中其他调制的水分子结合
像这样一个动态系统，其中某些性质的变化导致同一性质的进一步变化，称为反馈回路
虽然它们在数学上看起来很复杂，但这些模型可以帮助工程师创造新的有效的过滤方法
加藤说:“液晶膜已经有了完美尺寸的孔，而以前的膜种类更加多样。”
“结合我们的新知识，我们的目标是创造比以往任何时候都更具选择性的细胞膜
这些不仅仅是净化水；例如，它们可用于制造锂离子电池，作为在电极间传输锂离子的电解质，甚至作为病毒过滤器
由于这些膜具有很高的选择性，它们可以被调整到只阻挡非常特殊的东西，这意味着它们也可以在变得饱和之前使用很长时间
" 有几个领域原田，加藤和他们的同事希望进一步探索
这些最初的物理实验将为计算机模型提供信息，因此高级计算机模拟就是这样一个领域
但他们也希望研究自然调节钾和钠离子通道的细胞膜——研究这些也有助于改善人造膜
原田说:“这里令人兴奋的是化学、物理和生物学是如何结合起来阐明这些看似复杂的东西的。”
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