作者安妮·斯塔克，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 用于超快速选择性传质的3D纳米薄膜示意图
王同帅插图/伊利诺伊大学
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 模仿肾脏的结构，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的一组科学家创造了一种三维纳米薄膜，打破了人工膜的渗透性-选择性权衡
高渗透性和选择性膜适用于广泛的应用，如透析、水净化和能量储存
然而，基于二维结构的传统合成膜由于其固有的有限表面积和长的复杂孔几何形状而受到渗透性和选择性之间的折衷限制
受生物系统的启发，该系统通过采用高效的三维功能结构实现了高选择性和快速的跨膜传质，该团队开发了一种由两个三维互连通道组成的自支撑三维膜，这两个通道由纳米薄的多孔氧化钛层分隔开
这种独特的仿生三维结构极大地增加了表面积，因此过滤面积增加了6000倍，并且通过2-4纳米薄的选择层具有极短的扩散距离
这些特征提供了三维膜的高分离性能和快速传质特性
“我们的研究表明，三维膜设计在克服传统合成膜的局限性方面有很大的潜力，”LLNL材料科学家叶建超说，他是《材料地平线》杂志上一篇论文的相应作者之一
“这项工作的结果也为高性能纳米多孔膜的开发提供了基本的设计标准，”桑吉·金说，他是前LLNL科学家，现就职于芝加哥伊利诺伊大学
该团队表示，新的三维膜在生物医学工程和能量存储领域显示出有希望的应用，例如硫化锂和氧化锂电池的膜
“这项工作中展示的三维仿生膜设计最终将使高性能植入式血液透析系统和人工膜肺的开发成为可能，从而改变数十万患有完全和永久性肾衰竭和肺衰竭的美国人的生活，”LLNL科学家和合著者于尔根·比纳说
该团队还指出，通过使用三维打印和机器学习技术的几何优化，可以进一步提高性能，这在膜领域带来了巨大的研究机会
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