由印度中央鹽與海洋化學研究所（CSMCRI）、印度理工學院甘地訥格分校（IITGN）、新加坡南洋理工大學以及S N Bose基礎科學國家中心的研究人員組成的團隊，開發出一種新型高精度過濾膜。這項發表於《美國化學學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）的研究，描述了一項可能幫助產業降低能源使用並大幅提高水再利用率的技術。

許多工業活動依賴於不同物質之間的分離。這些分離過程對於藥物純化、紡織染料處理和食品生產等任務至關重要。然而，它們也是製造業中最耗能的運營之一，約佔全球工業能源消耗的40%至50%。

大多數設施仍依賴蒸餾和蒸發等傳統方法。這些方法雖然有效，但需要大量能源，並顯著增加碳排放。基於膜的過濾通常被認為是更清潔的替代方案，但傳統聚合物膜的孔洞尺寸往往不均勻。隨著時間的推移，這些孔洞可能會改變形狀或降解，降低性能並限制其在嚴苛工業環境中的實用性。

仿生學啟發的奈米級孔洞POM膜

CSMCRI資深科學家Shilpi Kushwaha博士表示：「為了克服這些限制，我們設計了一類新型的超選擇性結晶膜，稱為『POMbranes』，其孔洞寬度約為一奈米，比人類頭髮細數千倍。」

這種新型濾膜的靈感來自於水通道蛋白（aquaporins）等生物系統，它們透過精確尺寸的通道調節分子運動。為了達到這種控制水平，研究人員使用了多金屬氧簇（polyoxometalate, POM）。每個簇都包含一個天然存在的開口，其寬度恰好為一奈米，並且永久穩定。

根據CSMCRI的研究學者兼本文共同第一作者Priyanka Dobariya女士所述：「這些POM是微小的、皇冠狀的金屬簇，中心有一個永久、完美的孔洞，不會改變或失去形狀，這是傳統塑膠濾膜最大的難題。」

打造超薄分子篩

要創建實用的濾膜，需要將數十億個這種微小的環狀結構排列成連續無缺陷的層。為此，研究人員將柔性化學鏈連接到POM簇上。

當修飾後的簇被置於水中時，它們會自然展開並組織成大面積的超薄薄膜。透過改變連接鏈的長度，團隊能夠控制簇的堆積密度。

IITGN材料工程系副教授Raghavan Ranganathan博士補充說：「這迫使分子只能透過唯一的開放路徑，即每個簇內建的一奈米孔洞穿過濾膜，使濾膜能夠像高科技篩子一樣運作。」

Ranganathan博士和IITGN博士生兼本文共同第一作者Vinay Thakur先生也進行了分子模擬，揭示了濾膜如何發揮過濾功能。

分離性能近乎提升十倍

測試表明，這些濾膜能夠區分僅相差100-200道爾頓（Daltons）的分子，這種精度水平是傳統聚合物膜極難達到的。

CSMCRI首席科學家Ketan Patel博士表示，這種能力可以為更永續的製造流程創造新的機會。

他表示：「我們的濾膜與現有技術相比，分離性能幾乎提高了十倍，同時保持了柔韌性、穩定性和可擴展性。」

「此外，這些濾膜具有柔韌性，在不同酸鹼度（pH範圍）下都穩定，並且可以大面積生產。如果濾膜要在工業中廣泛採用，這種組合至關重要。」

紡織業與水回收的潛在效益

這項技術對印度的紡織業和製藥業尤其有價值，這兩個行業在該國經濟中扮演著重要角色。

印度的紡織服裝業貢獻了超過2.3%的GDP，約佔工業產值的13%。國內市場目前價值1600億至2250億美元，預計到2030年將擴大到2500億至3500億美元。

紡織品的染色和整理作業會產生大量受污染的廢水，使得染料去除和水再利用成為持續的挑戰。新型濾膜可以選擇性地去除染料分子，同時允許水被回收利用，從而減少對淡水的需求和化學廢物的產生。隨著印度廢水處理市場的持續增長，這一優勢尤為重要。

製藥製造的應用

這些濾膜還可以造福製藥業，因為在製藥業中，高精度的分離對於產品質量和生產效率至關重要。

Vinay Thakur先生指出：「藥物純化和溶劑回收等製程既耗能又對質量敏感。像這樣的超選擇性濾膜可以在滿足製藥業嚴格標準的同時，降低能源消耗。」

永續製造的平台技術

研究人員將新型POMbranes描述為一種多功能的平台技術。其可調節的結構、高選擇性以及承受惡劣化學環境的能力，使其適用於從廢水處理到先進化學製造的廣泛工業分離任務。

隨著產業越來越尋求結合效率、耐用性和永續性的技術，分子工程濾膜可能成為下一代製造系統的重要組成部分。透過應用生物學中常見的原理——分子級別的精確控制，並將其轉化為可擴展的材料技術，研究人員展示了仿生學設計如何幫助解決重大的工業挑戰。