近日，厦门大学化学化工学院的胡晟教授、南京航空航天大学纳米科学研究所的仇虎教授，以及新加坡国立大学功能智能材料研究所的Konstantin S. Novoselov等研究人员组成的团队，在 Science Bulletin （IF：18.8）发表了题为Chemically gated ion transport in two-dimensional heterogeneous membranes with ultrahigh metal ion selectivity的研究论文。课题组博士生方俊杰为该工作的共同一作。
研究背景：生物膜依靠复杂的分子结构和机制识别离子的微观物理化学性质差异，可以在环境条件的刺激下选择性地传输特定离子。在人工薄膜中实现类似功能对于资源回收、水处理及能源转换等关键领域的发展意义重大，但极具挑战。现有的离子分离膜主要依赖离子的尺寸及其与膜的静电相互作用差异进行筛分，难以兼顾快速、高选择性及环境响应性等离子筛分需求。
研究内容：该研究构建了一种具有类生物门控功能的二维异质膜材料，实现了对金属离子通量的化学调控，首次在人工膜中实现了高达10000倍以上的单价/二价离子选择性。该膜依托功能化氧化石墨烯与聚丙烯酸分子的协同作用，具备对特定信号离子的响应能力，从而智能调控二价金属离子的通透性，同时保持单价离子的快速通过。结合实验和分子动力学模拟结果，揭示了目标离子在进入纳米通道时，其反离子壳层的重构行为和对目标离子传输速率的作用关系。相较于单价阳离子，二价阳离子的阴离子壳层更易受到通道表界面的相互作用并发生变形和重构，从而产生势垒而被特异性阻滞。
图 1 PG-PAA 膜的结构
图2 通过PG-PAA膜实现化学调控离子渗透
图3 分子动力学模拟揭示膜的离子选择性传输机制
图4 PG-PAA膜在二元离子混合溶液中的分离性能
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.040
