勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校(UIC)的一組科學(xué)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(chǔ)。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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)了由兩個(gè)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(dú)特的仿生3D結(jié)構(gòu)極大地增加了表面積，從而使過(guò)濾面積增加了6,000倍，并具有穿過(guò)2-4-nm薄選擇層的超短擴(kuò)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(xué)家Jianchao Ye說(shuō)：“我們的研究表明3-D膜設(shè)計(jì)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(xiàng)工作的結(jié)果也為開(kāi)發(fā)高性能納米多孔膜提供了基本的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，”現(xiàn)任伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的前LLNL科學(xué)家桑吉爾·金說(shuō)。

研究小組說(shuō)，這種新型3D膜在生物醫(yī)學(xué)工程和能量存儲(chǔ)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(xiàng)工作中展示的3D仿生膜設(shè)計(jì)最終將使高性能植入式血液透析系統(tǒng)和人造膜肺的開(kāi)發(fā)成為可能，從而改變成千上萬(wàn)患有全腎和永久性腎衰竭和肺衰竭的美國(guó)人的生活，” LLNL的科學(xué)家兼合著者Juergen Biener說(shuō)。

研究小組還指出，可以通過(guò)使用3-D打印和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行幾何優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步提高性能，這在膜領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的研究機(jī)會(huì)。