随着工业和生活需求的不断增长，对高效分子传输和分离技术的需求也日益迫切。传统的膜分离技术在水处理、药物制备、能源生产等领域发挥着关键作用，然而，其效率和选择性仍然面临着挑战。为了提高膜分离技术的效率和应对更广泛的工业分离挑战，科学家们迫切需要深入了解膜传输机制，并开发出更先进的膜材料。

其中，二维纳米片材料因其特殊的结构和性能而引起了科学家们的广泛关注。石墨烯、MXene等二维材料具有大的侧向面积和原子级厚度，这使它们成为构建高效膜分离材料的理想选择。这些材料具有可调性的缝隙状孔径大小和表面化学性质，能够实现快速和选择性的质量传输，从而在气体分离、离子筛选以及水淡化和净化等领域展现出潜在的应用前景。

然而，尽管二维纳米片材料具有巨大的潜力，但要将其应用于特定的分离过程仍然面临着诸多挑战。目前，对于这些复杂纳米通道中流体传输机制的理解尚不充分，这限制了针对特定分离的膜设计和性能优化。此外，随着膜孔径的不断缩小，表面-流体相互作用在溶剂传输过程中可能发挥越来越重要的作用，但目前对于这一方面的研究仍然有限。

为了解决这些问题，一些科学家着手研究二维纳米片材料构建的膜结构及其在分离过程中的性能。他们试图理解纳米通道中的溶剂传输机制，并开发出新的模型来准确描述溶剂通量。然而，目前对于复杂纳米通道中溶剂传输机制的研究还比较有限，特别是异质通道膜的研究尚未见报道。

针对这一挑战，南京工业大学陆小华、新加坡国立大学功能智能材料研究所Kostya S. Novoselov教授（2010年诺贝尔物理学奖得主）团队和莫纳什大学化学与生物工程系王焕庭院士团队等人在“Science Advances”期刊上发表了题为“Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes”的论文。

本研究旨在解决二维纳米片材料构建的膜中复杂纳米通道的溶剂传输机制问题。作者合成了由还原MXene和石墨烯组成的亚纳米异质通道膜，并通过实验测量和理论模拟探究其结构和流体传输速率。通过研究这些膜的性能，作者开发出了新的亚连续流模型，能够准确预测溶剂通量，并建立了溶剂分子与通道壁相互作用的直接关系。作者的研究为二维纳米片材料构建的膜的设计和优化提供了新的思路和方法，为实现更高效的分离过程奠定了基础。

/ 研究亮点 /

1.异质通道膜设计：通过合成MXene/graphene异质通道膜，研究人员创造了具有亚纳米孔的新型膜结构，为纳米片基膜领域的发展带来了新的可能性。

2. 高通量溶剂传输：实验结果显示，这些亚纳米通道膜在完全拒绝盐和有机染料的同时，表现出了异常高的溶剂通量，这为提高膜分离效率提供了新的途径。

3. 溶剂传输机制理解：研究人员提出了亚连续流模型，建立了溶剂分子与通道壁相互作用与溶剂通量之间的直接关系，深入探究了亚纳米尺度下的溶剂传输机制。

4. 流体参数建模：通过该模型，研究人员能够准确预测膜通量，这为纳米片基膜的设计和优化提供了重要的理论指导。

5. 异质膜与同源膜对比：研究发现，异质通道膜的溶剂传输行为与其同源结构的膜存在显著差异，这为深入理解纳米通道中的流体行为提供了新的视角。

6. 新型膜材料应用潜力：通过研究MXene/graphene异质通道膜，展示了这种新型膜材料在水淡化、有机溶剂分离等领域的广阔应用前景。

/ 图文导读 /

图1. 由交替堆叠的还原MXene（Ti3C2）和石墨烯组成的亚纳米异质通道膜的表征。

图2. 溶剂通过Ti3C2-石墨烯异质通道膜的渗透性。

图3. 亚纳米异质通道对溶剂通量的影响。

图4. 表面限制对不同组成膜中溶剂渗透的影响。

图5. 所提出的模型预测的通量与流体参数相关。

/ 总结展望 /

本文揭示了亚纳米级缝隙膜中溶剂渗透行为的复杂性，并提出了新的子连续流模型来解释这一现象。通过对不同流体参数（如平均密度、粘度和滑移长度）在约束条件下的影响进行深入研究，研究者们揭示了在极端约束环境下，流体行为与在常规条件下的行为存在显著差异。这为设计和优化亚纳米级缝隙膜提供了重要的理论指导，可以进一步推动纳米技术在分离和净化领域的应用。

此外，通过建立子连续流模型，并通过与实验结果的比较验证其准确性，本文为溶剂渗透行为提供了全面的理论框架。该模型考虑了不同流动模式下的边界条件，从非连续流到连续流提供了完整的描述，为进一步研究和预测亚纳米级缝隙膜的性能提供了有力工具。通过这种理论模型的建立，科学家们可以更好地理解和预测纳米级膜的性能，为其在水处理、溶剂分离等领域的应用提供更精确的指导，从而推动了纳米技术在环境保护和资源利用方面的应用和发展。

原文信息：Xiaofang Chen et al. ,Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes. Sci. Adv.，(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1455