勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的一組科學家模仿了腎臟的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了三維納米(nm)薄膜，該薄膜打破了滲透選擇性貿(mào)易。人造膜。

高滲透性和選擇性的膜可用于廣泛的應(yīng)用，例如透析，水凈化和能量存儲。然而，基于二維結(jié)構(gòu)的常規(guī)合成膜由于其固有的有限的表面積和長的復(fù)雜的孔幾何形狀而受到滲透性和選擇性之間的折衷限制。

該團隊從采用高效3-D功能結(jié)構(gòu)的生物系統(tǒng)中獲得了高度選擇性和快速的跨膜質(zhì)量轉(zhuǎn)移的線索，開發(fā)了由兩個3-D相互連接的通道組成的自支撐3-D膜，這些通道相互分隔納米薄的多孔氧化鈦(TiO2)層。

這種獨特的仿生3D結(jié)構(gòu)極大地增加了表面積，從而使過濾面積增加了6,000倍，并具有穿過2-4-nm薄選擇層的超短擴散距離。這些特征提供了3-D膜的高分離性能和快速的傳質(zhì)特性。

LLNL材料科學家Jianchao Ye說：“我們的研究表明3-D膜設(shè)計具有克服常規(guī)合成膜局限性的巨大潛力。”該材料的相應(yīng)作者之一發(fā)表在《材料地平線》雜志上。

“這項工作的結(jié)果也為開發(fā)高性能納米多孔膜提供了基本的設(shè)計標準，”現(xiàn)任伊利諾伊大學芝加哥分校的前LLNL科學家桑吉爾·金說。

研究小組說，這種新型3D膜在生物醫(yī)學工程和能量存儲領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如用于硫化鋰和氧化鋰電池的膜。

“這項工作中展示的3D仿生膜設(shè)計最終將使高性能植入式血液透析系統(tǒng)和人造膜肺的開發(fā)成為可能，從而改變成千上萬患有全腎和永久性腎衰竭和肺衰竭的美國人的生活，” LLNL的科學家兼合著者Juergen Biener說。

研究小組還指出，可以通過使用3-D打印和機器學習技術(shù)進行幾何優(yōu)化來進一步提高性能，這在膜領(lǐng)域帶來了巨大的研究機會。