在现代社会，水资源净化、离子分离、能源储存与环境保护等领域正面临着前所未有的挑战，而膜技术因其高效、精准的分离特性，成为解决这些问题的关键技术。

然而，如何设计具备高选择性、长效稳定性的多功能膜，依然是全球膜技术发展的瓶颈之一。最近，兰州大学稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌、李湛研究团队在这一领域取得了革命性的突破，提出了一种基于电荷组装与氢键作用的二维仿生膜技术。这项创新技术不仅在精确离子分离方面表现出色，尤其在铀提取领域展现了巨大的潜力，推动了膜技术应用的前沿发展。

研究背景

膜技术作为一种高效的分离方法，在水处理、能源回收及环境保护等领域取得了广泛应用。尤其是在海水淡化、废水处理、铀提取等任务中，膜材料的选择性分离能力至关重要。近年来，二维材料，如氧化石墨烯（GO），因其极高的表面积、可调节的孔隙结构及优异的机械性能，成为膜材料研究的焦点。然而，GO 膜的层间相互作用主要依赖范德华力和 π-π 堆积，导致其在高压或长时间使用下容易出现结构破损，制约了其在实际应用中的可行性。

为了克服这些限制，研究人员尝试通过与生物材料的结合来增强膜的机械强度和稳定性。尤其是在膜材料中引入细菌等生物材料时，由于其结构的柔性和功能的多样性，如何保持膜层的有序堆叠成为一个巨大的挑战。受植物细胞壁在压力下重组为更强、更致密结构的自然启发，研究人员发现，通过施加外部压力，可以压缩并重组柔性三维生物材料，使其与 GO 层紧密结合，从而显著提高膜的稳定性和机械性能。

研究突破

兰州大学的研究团队在这一领域提出了一个创新且简便的策略。通过利用 GO 与工程细菌之间的电荷排斥作用，研究人员成功诱导液晶结构的形成，并在聚醚砜膜表面实现了逐层自组装。这种二维仿生膜通过施加层间压力将细菌压平，去除层间水分，最终形成致密结构。这种压缩效应不仅减少了功能基团之间的距离，还通过氢键作用构建了一个强大的氢键网络，大幅度提升了膜的机械性能（拉伸强度提高了 12.42 倍）。更重要的是，压缩过程保持了细菌表面超铀结合蛋白（SUP）的活性，使其能够选择性地与铀酸根离子（UO2²+）结合，实现了对铀离子的高效筛选与捕获。

研究价值与意义

这一突破性的研究成果为海水中的铀提取提供了高效、可持续的技术路径。随着核能产业对铀的需求日益增加，基于 SUP 的复合膜不仅能高效回收海水中的铀资源，还为其他离子分离和资源提取提供了新的思路。此外，这项技术还具有广泛的应用前景，不仅能够应用于海水提铀，还可以用于水处理、废水回收、能源回收等领域，帮助解决资源短缺、能源危机和环境污染等全球性问题。随着技术的不断优化和工业化进程的推进，这种二维仿生膜技术有望在多个领域得到广泛应用，并推动膜技术朝着更加智能化和高效化的方向发展。

结语

兰州大学的研究团队通过这项突破性研究，不仅为膜技术的发展开辟了新的方向，也为能源、环境保护及资源回收领域提供了创新的解决方案。随着技术的进一步完善和推广，二维仿生膜将在全球范围内产生深远的影响，为应对能源和环境挑战提供强有力的支持。随着更多创新的涌现和跨学科的合作，未来二维仿生膜技术有望实现更广泛的应用，并在全球可持续发展目标的实现过程中发挥至关重要的作用。

信息来源：高分子科学前沿