层间距调控分子机制

限域冰控法构建氧化石墨烯二维片层-高分子复合膜材料

水一旦被压缩到纳米级的狭小缝隙里，物理性质会发生显著改变，其冻结温度会显著低于0℃。

kaiyun官网入口理化技术研究所联合香港城市大学、北京师范大学等团队，正是利用了这一微观现象，给氧化石墨烯薄膜装上了一个可以“按需调节”的精控开关，实现氧化石墨烯-高分子复合膜材料层间距有效调控，在保持水分子快速通过的同时，实现了对离子的精确筛选。相关成果于7月15日发表于国际期刊《自然》。

如何平衡一张薄膜的三个目标？

氧化石墨烯膜由二维片层堆叠而成，片层之间的纳米级缝隙，就是物质传输的通道。

理想状态下，这张膜应同时具备三项性能：水分子快速通过、目标离子被精准拦截、结构长期稳定不变形。

一般而言，缝隙宽，通量增加，但选择性下降；缝隙窄，选择性提高，但通量受限。更棘手的是，在水环境中长期使用，膜层结构会发生溶胀，缝隙逐渐扩大，稳定性难以保证。

利用“冰点差”，将“聚集组装”与“聚合反应”分步实施

如何破解这一困局？研究团队注意到一个关键细节，在膜层间的纳米限域环境中，水的结冰温度会被显著延迟，远低于0℃，而膜外体相水则在常规温度下结冰。这一温差恰好提供了一个宝贵的时间窗口。

基于此，团队原创提出“先组装控距、后聚合固距”的两步调控机制。第一步，低温组装，在低温条件下，层间液态水环境下，小分子单体进入层间限域空间，在特定含氧官能团附近快速聚集，将层间距精确控制在预设尺度。

第二步，降温固化。随后降低温度，，已经聚集组装的单体会缓慢发生聚合反应，原位转化为高分子支柱，将层间距进行稳定。

通过这一“分子组装-聚合反应时标分离”策略，原本耦合在一起的两个步骤被彻底分开，层间距的控制和固定不再互相干扰，实现了对膜结构的有效调控。

离子分离精度达到亚埃米级别

这套调控方法的效果如何？研究团队通过实验验证，采用该方法制备的复合膜，能够有效分离水合直径差异极小的一对离子——铷离子与钾离子，二者在水中的水合直径相差不足0.1埃。这个尺度大约相当于一根头发丝直径的百万分之一。

这意味着，该膜材料不仅能够保障较高的水通量，还具备极高的离子筛选精度，为盐湖提锂、海水淡化及关键战略金属回收等应用场景提供了新的技术可能。

研究证实，该方法可适配于多巴胺、丙烯酰胺、多元胺-多元酸等多种能够在限域空间内组装-交联的分子体系，展现出良好的通用性。与此同时，团队结合大量实验与多尺度理论计算，系统揭示了纳米限域条件下分子组装、聚合固化及层间距调控的微观机制，为后续研究提供了理论指导。

从“水结冰”这一常见现象出发，研究团队开辟了一条全新的材料精密制造路径。这项成果标志着我国在二维膜分离材料领域取得重要突破，有望为解决水资源短缺和关键矿产资源供给问题提供新的解决方案。