一篇頂刊綜述概述了分離膜水道時代的到來！

【導讀】

?大自然利用分子和流體在分子尺度上以一種高效而有結構的方式做出了許多了不起的事情。?一個例子是水通道蛋白(AQPs)，這是一種生物水蛋白納米通道，以其高超的水運輸能力(>10⁹個分子/ s)和排斥所有溶質的能力而聞名。?然而，再現AQPs中觀察到的令人印象深刻的復雜行為并不是一件容易的事情，因為納米尺度上的流體和離子的行為在許多方面與經典連續介質力學不同。水通道是推動下一代海水淡化和水處理膜發展的關鍵支柱之一。在過去的二十年中，納米技術的興起匯集了大量多功能納米通道，這些納米通道有望重新發明分離膜，其性能超過了水-能源關系中最先進的聚合物膜。如今，這些水納米通道可以大致分為生物、仿生和合成，因為它們具有不同的性質、物理化學性質和膜納米結構的方法。此外，在不同分離機制的背景下，不同類型的納米通道表現出獨特的優點和局限性，這決定了它們對不同膜設計的可用性和適用性。

【成果掠影】

近日，新加坡南洋理工大學王蓉教授團隊（新加坡膜技術中心）概述了一系列納米通道的進展，包括水通道蛋白、柱[5]芳烴、I-quartets、不同類型的納米管及其孔蛋白、石墨烯基材料、金屬和共價有機框架、多孔有機籠、MoS₂和 MXenes，并對它們的潛力進行了比較。首先，通過研究納米通道多年來的演變來繪制背景，然后從化學的角度關注這些通道的關鍵物理化學和固有傳輸特性來討論它們的最新發展。接下來，展望了可以將納米結構水通道變成高性能納米通道膜的制造方法，特別關注每種納米通道的明顯差異以及如何利用它們來釋放所承諾的高水傳輸潛力在當前主流的膜設計中。最后，批判性地評估了最近的研究結果，以提供關于膜工程中最受重視的屬性的納米通道的整體定性評估，然后討論即將到來的挑戰，以與研究人員分享觀點，以在這個時代的到來中尋找未來的方向水道。相關成果以“The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic”發表在Chemical Society Reviews上。

【數據概況】

圖1 水納米通道的演變。

圖2 水納米通道的研究成果統計。

圖3?合成水通道——石墨烯基材料。

圖4?合成水通道——金屬和共價有機框架。

圖5?結合水納米通道的膜納米結構——制作方法。

圖6?展望——下一代膜的生物、仿生與合成通道

圖7 展望——水納米通道的合理設計到分子水平

【成果啟示】

總的來說，生物通道往往具有最佳性能，而合成通道由于其豐富的化學成分和結構多樣性可以包含更廣泛的多樣性，因此更加可調和通用化學改性和膜設計。此外，盡管具有明顯的優勢，但每種類型的納米通道面臨的挑戰無處不在，主要涉及污染、長期穩定性和壽命以及膜工程問題，例如模塊設計優化。因此，作者提供他們的視角來幫助應對這些挑戰，并突出他們認為將做出最重要貢獻的未來方向。

參考文獻：Lim, Y. J.;?Goh, K.; Wang, R., The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic. Chemical Society Reviews 2022, 51 (11), 4537-4582.

https://doi.org/10.1039/D1CS01061A