中大科研新突破！Nature刊文“編織”一張好用的晶體分離膜

在太阳集团1088vip鄭治坤教授的實驗室中，我們見到了附着在矽片上的彈性晶體膜。如果不是鑷子夾取造成的殘缺，幾乎肉眼無法看見它的存在。然而，做好這樣一張膜，團隊整整用了五年時間。

附着在矽片表層的編織晶界聚合物均孔膜

五年磨一劍，鄭治坤教授團隊成功制備出高韌性、高彈性、高機械強度的編織晶界聚合物均孔膜，并報告了一種利用犧牲性小分子結構導向劑，導向相鄰晶疇形成編織晶界結構的制備方法，有望擴展晶體膜在分離、光電、柔性器件等領域的應用。近日，相關成果刊發在《自然》雜志。

一張極薄的分離膜，可能帶來生産變革

全球每天生産原油超過1億桶，從原油到汽油、柴油等成品油，往往需要經過蒸餾、催化等工序分離不同物質。從大型煉油塔的建造和維護，到加熱消耗的能源，石油化工近80%成本花在分離上。膜分離法成為化工生産領域降低能源消耗、削減加工成本、提高分離效率和産品純度的一條“出路”。

“理論上，膜分離是常規分離成本的十分之一。”鄭治坤說。傳統有機高分子材料制成的分離膜，浸到油裡會被溶解或溶脹，使用全結晶的分離膜則不會。

為此，鄭治坤教授課題組深入研究晶态聚合物均孔膜的制備、結構和性能調控等問題。從把膜制作出來，到實現孔洞均一，再到讓它更高效、更可靠、更耐用，無數次反複試驗，攻關攔路虎，最終破題。

實驗室裡的試劑瓶和結晶皿

“我們這項研究其實解決的是兩個力學問題，一是材料強度和韌性的同步提升，二是改善晶體的脆性，讓它不那麼易碎。”通常，天然和合成晶态材料是由多個單晶晶疇連接到一起，其間的大量晶界制約着材料的機械穩定性。這種影響在由單層原子或少數原子層構成的二維晶體中格外嚴重，一個線性晶界就将導緻二維晶體薄膜的斷裂。

對各種材料來說，機械強度和韌性往往互相矛盾，難以兼得，對于晶體當然亦是如此。在鋼鐵冶煉中，人們通過引入新的物質——碳，來改變材料結構，調控材料的物理性質，調制出強度和韌性均合适的材料。但在晶體的制備中，“摻雜”難以做到，因為結晶就是排異的過程。

經過大量的觀察和實驗，鄭治坤團隊想到了高分子材料中的一種典型結構——編織結構。如同毛衣由毛線經緯交織而成，部分高分子材料在聚合時也能相互纏繞、交錯，從而擁有較強的柔性。

鄭治坤介紹：“這種結構一般不會在晶體中存在，但為了獲得這種柔性的性質，也許可以把這種結構遷移到晶體中去。”

實驗表明，這種全新晶界結構——編織晶界連接形成的晶态聚合物膜具有高韌性、高彈性和高機械強度的特點，其抗壓性能接近鋁合金和黃金。當材料受力斷裂時，裂紋不擴展，且不影響裂紋附近膜的機械性能。

編織晶界聚合物均孔膜合成示意圖

在這個思路的指導下，鄭治坤團隊在制備二維晶體聚合物時加入犧牲性導向試劑，以線性聚合物為“梭”，利用其自發纏繞、穿插的特性，将二維聚合物編織起來，形成編織晶界。待晶界形成，線性聚合物又會随排異的結晶過程自動離開。

高中時一次參觀，啟發分離膜的研究興趣

鄭治坤高中時曾随學校組織參觀縣裡的一個自來水廠。因為好奇，他問工作人員什麼是“中法水務”——中國企業與法國企業合資成立的水務集團，但工作人員開玩笑說其實應該改名為“法中水務”，因為技術都是法國的。

至今，鄭治坤仍然深深記得那次參觀。從河裡引水，分離出雜質，再經過消毒等流程……水廠裡發生的一切早已在他心中埋下了種子。

污水處理是把水和雜質分離，海水淡化是把水和鹽分離。水處理、化工生産，甚至食品加工領域都有“分離”的重要環節。而這，離不開一張好的分離膜。“我那時候就想做分離，要讓中國科技自立自強，可能這早已成為我選擇研究方向時的潛意識。”鄭治坤說。

鄭治坤教授指導博士生楊永航做實驗

鄭治坤感歎道：“以前以為做這張膜很簡單，實際上，越做越感到困難。”

“遇到困難就想辦法解決問題

而不是換個問題”

這項研究的難度在于，做好一張分離膜，需要多學科交叉，在力學、材料學、化學等領域都需要深厚開闊的學術功底。全球科學家都在孜孜以求，試圖破解這個“不可能任務”。

鄭治坤的本科專業是化學教育，研究生階段接觸了電分析。2008年，他出國從事博士後研究，表面物理、有機合成、分子工程材料都曾是他的研究領域。2017年回國以後，他開始從事高分子化學與物理領域的研究。

“我們是做化學的，但這項研究也涉及到了物理中晶體的聚集态結構，尤其是力學的一些知識。能夠取得這項成果，離不開我們課題組對有機合成和高分子物理兩個領域知識的理解。”

“當你發現這個太難的時候，會選擇換一個研究問題嗎？”有人忍不住問他。

“遇到困難就想辦法解決問題，而不是換個問題。我們高分子材料的課題組，往往就是用一種材料一直研究下去。”

鄭治坤舉了一個例子：聚乙烯（PE）是一種十分常見的塑料原材料，它既可以做最普通的塑料袋，也能用來做防彈衣，或是做成人工關節，替代人體的骨骼結構。“材料的物質組成沒有變化，但它的聚集态結構發生了改變，這也許就能帶來新的應用。”

博士生楊永航做實驗

以石墨烯為代表的二維晶體材料自發現以來便備受關注。其具備的多種理化性質使其在光電信息、催化、可穿戴電子器件等領域具有許多潛在應用價值。然而，這類材料在制備上往往有産率低、結構性能不穩定等問題，極大限制了其在工業領域的應用。

鄭治坤介紹，課題組一直希望解決碳四到碳八的分離問題。其中，支鍊碳五和碳六是典型的汽油組分，碳八則有鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、乙苯等，其中對二甲苯（PX）是生産聚酯纖維和樹脂、塗料、染料及農藥的原料。

這些都是生活中十分常用的化工材料，而我們的目标就是更高效率地獲得純度更高的産品，在這個基礎上，再追求低成本、環境友好等目标。

“我們一定要做好這張晶體分離膜。”鄭治坤介紹，下一步，團隊還将繼續圍繞這種分離膜的制備方法和分離性能開展研究，尤其是對分離膜的穩定性、分離純度、分離速度和對環境的要求等進行實驗檢驗。在未來，這張分離膜還可以改性，通過調整孔徑、分子和分子的主客體相互作用、電性、磁性等性質，擁有更多的應用場景。

鄭志坤教授

鄭治坤，太阳集团1088vip、材料科學與工程學院雙聘教授，博士生導師。主要從事晶态有機聚合物膜，功能高分子材料和特種工程塑料方面的應用基礎研究。在國家海外引才計劃青年人才、國家自然科學基金國際合作與交流項目和面上項目等的支持下，近年在Nature，Nat. Chem.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等國際學術期刊上發表SCI論文七十餘篇，獲授權發明專利4項。

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