水如何影响自身过滤以创建高度选择性的膜，例如病毒过滤器

亚纳米孔液晶水处理膜对其通过的内容具有高度的选择性。

具有微孔的膜可用于水过滤。孔径对水过滤的影响以及与膜相互作用的离子（带电原子）的作用已广为人知。研究人员首次成功地描述了水分子对其他水分子和离子的影响，这是过滤机制的一部分。研究人员详细介绍了水分子之间的反馈系统，这为高选择性膜提供了新的设计可能性。应用程序可能包括病毒过滤器。

合成化学是与自然界中不存在的新物质和新材料的创造和探索有关的研究领域。有时，诸如制药或高科技制造之类的应用需要材料的特定属性或行为。合成化学可以帮助找到，创建或精炼合适的材料。例如，可以将所谓的合成液晶膜用于水过滤。

过滤水或其他液体时，其目的是从目标流体中分离出化学成分，例如离子。多孔膜的使用可以是主要的方法。从直观上看，表面上的孔将阻止大于该孔的任何物体通过。但是像合成液晶膜这样的先进膜可能会具有几乎只有几纳米，十亿分之一米的孔。在这些尺度上，膜的功能不仅仅是孔的大小。

东京大学化学与生物技术系的加藤隆史教授说：“化学在这些小规模的事件中起着重要作用。”“在水过滤的情况下，孔的大小应使水不能通过。但是，离子与孔之间也存在静电力。如果正确地设计了材料，则这些力即使对离子的作用比对孔小的作用，也会对离子产生进一步的阻碍。这是相当容易理解的。但是还有另外一种重要的物质在起作用，它会影响水的过滤，而实际上是水分子本身。”

UTokyo固态物理研究所的原田佳久教授及其团队着手全面描述长期以来一直被怀疑但从未被解释过的事物：孔位处的水分子如何与周围的水分子和离子相互作用。在此微小范围内，这实际上是非常重要的，即使是很小的力也会影响过滤膜的整体性能。从物理系统中提取这种信息也非常困难。

“从理论上讲，我们可以使用计算机模拟来准确地模拟水在过滤过程中的行为和相互作用，但是这种模拟将需要大量的超级计算能力，” Harada说。“因此，至少在最初，我们转向了一种物理方法来探索这些机制，称为基于同步加速器的高分辨率软X射线发射光谱学。这本身就是一个极其复杂的挑战。”

该过程的工作原理是从同步加速器，粒子加速器中获取X射线辐射，然后将其引导至被分析的样品。在由高分辨率传感器检测和记录X射线束之前，样品（在这种情况下为膜和水分子）会改变X射线束的某些特性。施加在X射线束上的变化可以高度准确地告诉研究人员样品中正在发生的事情。

“这并不容易，”原田说。由于膜很薄，由于大量其他水分子，我们期望孔中目标水分子发出的信号很难与背景信号区分开。因此，我们必须减去背景电平信号，以使目标信号更清晰可见。但是，现在让我感到高兴的是，我们可以介绍作为水宿主材料一部分的水的首次描述。通过执行这种基础科学，我们希望它为其他人提供基础的工具。

该小组的新模型描述了水分子之间的相互作用是如何被紧邻的带电粒子所调节的。在膜孔中，以某种方式调制的水分子优先与该体积中的其他调制水分子键合。像这样的动态系统，其中某些属性的更改导致同一属性的进一步更改，被称为反馈循环。尽管它们在数学上看起来很复杂，但是这些模型可以帮助工程师创建新的有效的过滤方法。

加藤说：“液晶膜已经具有合适大小的孔，而以前的膜种类更多。”“结合我们的新知识，我们的目标是制造出比以往任何时候都更具选择性的膜。这些不仅可以净化水，还可以做更多的事情。它们可能用于例如锂离子电池的构造，作为在电极之间传输锂离子的电解质，甚至用作病毒过滤器。由于这些膜具有很高的选择性，因此可以将它们调整为仅阻挡非常特殊的事物，这意味着它们在被饱和之前也可以使用很长时间。

原田，加藤及其同事有几个地区希望进一步探索。这些最初的物理实验将为计算机模型提供信息，因此高级计算机仿真就是其中之一。但是他们也希望研究自然介导诸如钾和钠等离子通过的细胞膜，研究它们也可以帮助改善人造膜。

原田说：“令人兴奋的是化学，物理学和生物学如何结合起来阐明这些看似复杂的事物。”

参考：“亚纳米多孔液晶水处理膜中水分子的离子选择性：渡边龙介，坂本毅，山佐浩辅，宫胁淳，加藤隆和原田佳久的氢键结构研究，2020年10月19日，安吉万德化学国际版。DOI：
10.1002 / anie.202008148

这项工作是由同步辐射研究组织和东京大学固态物理研究所联合研究完成的（提案号2017B7403和20207507）。这项工作得到了JSPS KAKENHI资助号JP19H05715和JP19H05717（创新领域科学研究的补助金：水生功能材料）。