近日，国家纳米科学中心唐智勇/李连山团队在高效一价离子分离研究领域取得突破，提出了一种基于水合层介导的离子高效筛分新策略。该研究通过构建动态埃级“水合孔”，利用水分子介导的短程相互作用，实现了对一价阳离子的高选择性与高通量分离。相关成果以 “Hydration layer mediates near-frictionless sieving of monovalent ions” 为题发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology. 2026, DOI：10.1038/s41565-026-02245-7）。
传统离子筛分策略主要依赖于尺寸排阻、静电排斥或脱除水合层的脱水能效应。然而，真实环境中离子表面紧密包裹的水合层所引发的短程相互作用，在膜分离科学中一直被忽视。该研究利用单层共价有机框架（COF）膜，在孔边缘有效锚定水合离子，构建有效尺寸约为0.8纳米的动态“水孔”。其核心筛分机制是基于水合层的“融合”与“挤压”效应：水合层较为柔韧的钾离子（K+）倾向于发生水合层融合并产生相互吸引力，从而获得近乎无摩擦的快速传输；相反，水合层刚性的锂离子（Li+）则会遭遇水合层挤压并产生排斥力，因此被有效阻滞。
研究证实，K+ 穿过该膜的活化能仅为5.5 kcal/mol，这一数值已十分接近 K+ 在体相溶液中的自扩散活化能，标志着实现了接近无摩擦的离子传输。在浓度梯度驱动下，该膜展现出了卓越的分离性能，K+/Li+ 实际选择性高达148，且 K+ 的渗透率达到了2×104 mol m-2 h-1，较现有最先进的分离膜高出三个数量级。
上述研究成果不仅突破了传统分离方法的物理极限，更揭示了水分子尺度下同种电荷离子间非单一排斥作用的多样性调控模式。这一策略为应对更具挑战性的纳孔膜分离难题，特别是为物化性质极其相近的物种分离开辟了全新的技术路径。国家纳米科学中心李连山研究员、唐智勇院士为通讯作者。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院人才项目及中国科学院战略性先导科技专项B等项目的支持。
图：水合层差异控制的近乎无摩擦一价离子筛分。（a）0.8 nm的动态水合孔；（b）水合层差异导致的吸引和排斥；（c）不同离子间的平均力势曲线；（d）两个钾离子间水合层共享导致的相互吸引。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-026-02245-7
