“膜”力无穷，一起来感受“膜”法的力量
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- 发布时间：2021-06-28
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“膜”力无穷，一起来感受“膜”法的力量
手机膜、保鲜膜、美容面膜、汽车玻璃膜，这些想必大家都不陌生。膜在我们的生活中已经是随处可见，但是这位膜界的大咖，你真的了解吗？
今天我们要说的是被誉为是世界上最精密的微孔滤膜——重离子微孔膜。重离子微孔膜又叫核孔膜，全称核径迹蚀刻微孔膜，是利用高能重离子或裂变碎片轰击绝缘材料（如塑料PET，PC等），在材料内部产生直径2纳米左右孔道，然后通过化学蚀刻方法扩孔，从而得到不同孔径的重离子微孔膜。
重离子微孔膜，“膜”法无边。与传统的膜分离技术相比，具有孔道形状规则，孔径大小和密度均匀可控，分离效率高，能耗低等多个优点。
让我们来看看这位膜界大咖的出道史。
“膜”法的诞生
重离子微孔膜的历史可以追溯到上个世纪六十年代，最早是在美国通用电气（GE）研究室制备成功。Fleischer和Price利用裂变碎片（Cf）轰击薄膜材料和矿物质材料，发现可以制备出特殊的多孔材料。
图:重离子微孔膜最早在美国通用电气研究室制备成功
这种材料完全不同于已有的滤膜材料，它的孔道均匀、大小规则，可以应用于除菌和净化等过滤。
在70年代已经有许多重离子微孔膜的专利，主要是用于一些精密的分析检测行业。在90年代清华大学就利用核反应堆生产重离子微孔膜。但是核反应堆的产能效率偏低，生产不易控制，所以产业化很难推广。
图：典型的重离子微孔膜电子显微镜图像
随着加速器技术的兴起，人们逐渐采用重离子加速器来生产重离子微孔膜。在美国、德国、瑞士、俄罗斯和中国都利用现有的重离子加速器生产重离子微孔膜。
但是受限于加速器装置，重离子微孔膜的价格一直很高，每平米价格在几百甚至上千元。
图：中科院近代物理研究所用于重离子微孔膜辐照的分离扇回旋加速器（SSC）
为了摆脱成本的限制，中国科学院近代物理研究所一直致力于降低重离子微孔膜的成本，利用自身加速器能量高的优势，在真空外一次生产6层核孔膜，极大的降低了重离子微孔膜的生产成本。
图：重离子微孔膜辐照终端
图：经过高能重离子辐照的薄膜（左）、核孔膜辐照卷膜机（右）
“膜”法的力量有多大？
重离子微孔膜被誉为世界上最先进的精密筛分材料，膜厚范围5-120μm，孔径范围0.22-40μm，孔径密度范围1-109/cm²。
图：重离子微孔膜与常规膜对比
相比与肉眼可见的尺度，在微观尺度下要做到孔径一致，对于其他膜来说是十分困难的，但是重离子微孔膜却能轻松实现。基于每个微孔都是由种类和能量相同的离子辐照和后期蚀刻形成的技术，重离子微孔膜不仅能做到孔径一致，甚至精密调控纳米级、微米级小孔的孔径和孔密度，定制我们需要的重离子微孔膜。
不仅如此，研究者们还可根据不同需求，通过对离子径迹进行后处理调控，形成不同的孔道形状，比如漏斗形、酒杯形、铅笔形等特殊的孔道。
图：不同孔道形状的重离子微孔膜
重离子微孔膜的材料选择范围也非常广泛，塑料、玻璃、云母等都可以作为原材料，还可以选择耐高温和酸碱的材料，常见的材料有聚酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）和云母等。
图：重离子微孔膜的材料选择范围广泛
重离子微孔膜的表面平整光滑，本身没有粒子、纤维等脱落，因此不会像其他滤纸一样二次污染滤液，同时对水、病毒、细胞、生物大分子（聚合物）无吸附，不会吸收溶解于滤液中的物质。良好的化学稳定性、热稳定性，机械强度高，韧性好，可折叠，可反复热压处理，“膜”法的力量，你感受到了吗？
图：重离子微孔膜过滤黄河水示意图
“膜”法无处不在
重离子微孔膜特性优异，应用方向十分广泛，让我们一起看看有哪些市面产品运用了相关技术。
百变过滤器
作为一种理想滤膜，重离子微孔膜在水处理领域、能源领域、粒子分离领域、物化改性领域、气体分离领域等多个领域都有广泛应用，百变过滤器，名不虚传。
图：重离子微孔膜精密输液器生产
在制药工业中，重离子微孔膜主要体现在药用水，大输液、小针剂药液的精滤及终端除菌过滤，血液的过滤，中草药液、后发酵液的澄清过滤，一次性输液器的配套，空气、蒸汽的过滤等。
传统的输液器过滤膜由纤维膜盘结压制而成，非常容易脱落异物，造成输液污染；而且在输液过程中，纤维膜会吸附药液里的药剂成分，从而造成疗效损失。
这些问题重离子微孔膜都可以轻松解决。重离子微孔膜可以显著提升对微粒的截留率，有效预防因微粒引起的过敏反应、静脉炎、热原反应、血管栓塞、肉芽肿等，保证患者输液安全。美国、日本、韩国以及欧盟等国的国家药典上规定，大输液器上的过滤膜都是各种规格孔径的重离子微孔膜。
图：TCT 癌细胞检测膜片及显微镜照片
TCT 细胞检测是目前国际领先、使用最广泛的一种宫颈防癌细胞学检查技术。检测采用核孔膜进行高精密度过滤，妇科过滤膜筒上有20万个7.5微米的小孔，能采集所有的病变信息。
图：重离子微孔膜材质的开水过滤器、茶水过滤器
在食品饮料工业，微孔滤膜过滤技术普遍用于酒类、饮用水、茶饮料、果汁、奶制品、碳酸饮料的澄清和除菌过滤，主要是除去悬浮固体颗粒、脂肪、大分子蛋白质。重离子微孔膜能有效的去除啤酒、葡萄酒、低度酒以及各种饮料中的酵母菌、残渣等，改善澄清度，达到冷消毒的效果，延长储存期，并且能够降低生产过程中的低能耗，尤其是纯生啤酒的生产工艺中，使用重离子微孔膜已经成为国际通行的标准。
图：重离子微孔膜被应用于防霾纱窗、防霾口罩
新冠疫情期间，口罩核心过滤层熔喷布十分紧缺，是造成口罩紧缺的主要原因。重离子微孔膜防护口罩没有采用熔喷布作为过滤层，而是采用重离子微孔膜作为过滤层，利用现有材料进行研发生产，短时间内成功开发产品并投入批量化生产。这款口罩的最大优点就是可高温水洗，重复使用。
防伪标识
重离子微孔膜还有防伪的功能。基于其特殊的制作工艺，制成由微孔构成的各种肉眼可见的图案后，这些图案天然的就是防伪标识，目前世界上没有任何一种技术能制作出类似的防伪图案。
同时因为这些微孔透气、透水的特性，我们还可以用滴水消失，笔涂上色等方式进行鉴别。
锂电池隔膜
未来，核孔膜还有望被应用在锂离子电池中。
现代人的生活已经离不开锂离子电池。智能手机等3C设备、新能源汽车、人工智能设备等都需要它，而且应用领域还在不断扩大。作为锂离子电池的一个关键组件——电池隔膜，其品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻
燃止爆安全性能等指标，对于电池的性能和安全起着至关重要的作用。
但是，目前国际上先进的隔膜制备工艺和技术被国外所垄断，使得高端电池隔膜仍然依赖进口。研究者们正在利用核孔膜的技术优势，采取完全不同于传统隔膜制备方法的技术路线，研制材质更加多样、孔径更加均匀、安全性更高的新型锂离子电池隔膜。
图： 研究者们正在利用核孔膜的技术优势，研制新型锂离子电池隔膜 | 制图：吴书航
结束
随着经济发展、社会进步和人民生活水平的提高，能源紧张、资源匮乏、环境污染等矛盾越来越突出，膜分离技术正是解决这些重大问题的新技术。与传统的分离技术相比，它具有无可比拟的优势。而我们的这位膜界大咖，也必将运用于更广泛的领域。
参考资料：
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版权说明：本文转载自中国科学院近代物理研究所