中山大学郑治坤团队:用五年时间“编织”一个实用的晶体分离膜。

★创新争先 自强不息

在中山大学化学学院教授郑治坤的实验室里，我们看到了弹性晶体膜粘在硅片上。若不是镊子夹取造成的缺陷，人眼几乎看不到它的存在。不过，做好这样一部电影，团队整整花了五年时间。经过五年的磨刀，郑治坤团队成功制备了高耐磨性、高弹性、高机械强度的编织晶体高聚物均孔膜，并报告了“利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶体类，形成编织晶体结构”的制备工艺，预计将扩大晶体膜在分离、光电、软件等领域的应用，并在《自然》杂志上刊登相关成果。

编织晶界高聚物均孔膜粘在硅片表面

极薄的分离膜可能会带来生产变化

世界上每天生产的石油超过1亿桶，从石油到汽油、柴油等成品油通常需要通过蒸馏、催化等工序将不同的物质分离出来。从大型炼油塔的建造和维护到加热所消耗的能源，近80%的石化成本都花在了分离上。膜分离法已成为降低能耗、降低生产成本、提高分离效率和产品纯度的化工生产领域的“出路”。

郑治坤说:“理论上，膜分离是常规分离成本的十分之一。传统有机高分子材料制成的分离膜浸入油中会溶解或增溶，但不会使用全晶分离膜。

因此，郑治坤教授课题组对晶状高聚物均孔膜的制备、结构和性能调节进行了深入研究。从制作膜到实现孔眼均匀，再到使其更高效、更可靠、更耐用，经过无数次反复试验，解决了问题，最终解决了问题。

“我们的研究实际上解决了两个机械问题，一个是材料强度和韧性的同步提高，另一个是提高晶体的脆性，使其不那么易碎。”一般来说，天然和合成晶体材料由多个单晶晶类连接在一起，其中大量的晶体边界限制了材料的机械稳定性。这种影响在由单层原子或少数原子层组成的二维晶体中尤为严重，一个线性晶体边界会导致二维晶体膜断裂。

对于各种材料来说，机械强度和韧性通常是矛盾的，很难兼顾，当然晶体也是如此。在钢铁冶炼中，人们通过引入新的物质-碳来改变材料的结构，调节材料的物理性能，并调配合适强度和韧性的材料。然而，在晶体的制备中，很难“混合”，因为晶体是一个排斥的过程。

经过大量的观察和实验，郑治坤团队想到了聚合物材料中一种典型的结构——编织结构。就像毛衣是毛线经纬交织而成一样，一些聚合物材料在聚集时可以相互缠绕和交织，进而具有很强的柔软性。

郑治坤说:“这种结构一般不存在于晶体中，但为了获得这种灵活性，这种结构可能会转移到晶体中。”

实验表明，这种全新的晶体结构——编织晶体结构形成的晶体高聚物膜具有高耐磨性、高弹性和高机械强度的特点，其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不会扩大，也不会影响裂纹周围膜的机械性能。

在这种思维的指导下，郑治坤团队在制备二维晶体聚合物时，加入了牺牲性导向试剂，以线性聚合物为“梭”，利用其自发盘绕和穿插的特点，编织二维聚合物，形成编织晶体世界。当晶体世界形成时，线性聚合物会随着排斥的晶体过程自动离开。

高中时参观了激发分离膜的研究兴趣

郑治坤高中时，他和学校一起参观了县城的一家自来水厂。因为好奇，他问工作人员什么是“中法水务”——中国企业和法国公司合资成立的水务集团，但工作人员开玩笑说应该更名为“法中水务”，因为技术是法国的。

到目前为止，郑治坤仍然记得那次参观。从河里引水，分离杂质，然后消毒...水厂里发生的一切早已在他心中种下了种子。

污水处理就是把水和杂质分开，淡化海水就是把水和盐分开。水处理、化工生产甚至食品工业都有“分离”的重要环节。这离不开一个好的分离膜。“当时我想做分离，让中国科技自力更生。也许这已经成为我选择研究内容时的潜意识。”郑治坤说。

郑治坤教授(左)指导博士生杨永航进行测试

"遇到困难就想办法解决问题，而不是改变问题"

郑治坤感叹道：“以前觉得做这部电影很简单，其实，越做越难。”

这项研究的难点在于，要做好分离膜，需要多学科交叉，在机械、材料、化学等领域需要强大而广泛的学术基础。全世界的科学家都在努力解决这个“不可能的任务”。

郑治坤的本科专业是化学教育，他在研究生阶段接触了电力分析。2008年，他出国做博士后研究。表面物理、有机合成和分子施工材料曾经是他的研究领域。2017年回国后，他开始研究聚合物化学和物理。

“我们从事化学，但这项研究也涉及到物理中晶体的聚集结构，尤其是一些力学知识。没有我们研究小组对有机合成和高分子物理知识的理解，我们就无法取得这一成就。”

有人忍不住问他：“当你发现这太难的时候，你会选择改变研究问题吗？

"遇到困难就想办法解决问题，而不是改变问题。我们的高分子材料研究小组经常使用一种材料进行研究。"

郑治坤举了一个例子：聚乙烯（PE）它是一种非常常见的塑料原料。它不仅可以用作普通的塑料袋，还可以用作防弹服，或者可以用作人工关节来代替人体的骨骼结构。“材料的物质构成没有变化，但它的聚集结构发生了变化，这可能会带来新的应用。”

以石墨烯为代表的二维晶体材料自发现以来备受关注。它的各种物理和化学性质在光电信息、催化剂、可穿戴电子设备等领域具有许多潜在的实用价值。但这类材料往往存在生产率低、结构性能不稳定等问题，极大地限制了其在工业应用领域的应用。

郑治坤介绍，研究小组一直希望解决碳四到碳八的分离问题。其中，支链碳五和碳六是典型的汽油成分，碳八包括邻二甲苯、二甲苯、间二甲苯、乙苯等。，其中二甲苯（PX）它是一种聚酯纤维和树脂、涂料、染料和农药的原料。

“这些都是生活中非常常用的化学原料，我们的目标是更高效地获得更高纯度的产品。在此基础上，我们将追求低成本、友好环境等目标。”

“我们必须做好这个晶体分离膜。”郑治坤介绍，下一步，团队将继续研究这种分离膜的制备工艺和分离性能，尤其是分离膜的稳定性、分离纯度、分离速度和对环境的要求。未来，这种分离膜可以通过调节孔径、分子和分子主体的相互作用、电荷和磁性来改性，具有更多的应用领域。

个人介绍

中山大学化学学院、材料科学与工程学院双聘教授、博士生导师郑治坤。主要从事晶态有机聚合物薄膜、功能性高分子材料及特种工程塑料的应用基础研究。近年来，在Nature的支持下，国家海外引才计划青年人才、国家自然科学基金国际合作与交流项目及面上项目等，Nat. Chem.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.在国际学术期刊上发表了70多篇SCI论文，获得4项授权发明专利。

广东省科技报综合报道

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