对于电池、电动汽车和可再生能源系统来说，锂和钴等关键矿物十分重要。为了满足对这些材料的长期需求，研究人员致力于寻找采矿之外的其他来源，而膜技术在从替代来源提取这些材料方面表现出巨大的前景。这些膜具有纳米孔，可以过滤来自水和其他来源的特定材料。
（图片来源：耶鲁大学）
据外媒报道，耶鲁大学（Yale University）和麻省理工学院（MIT）的研究团队从生物体中汲取灵感，提出一种完善膜技术的方法。相关论文发表在期刊《自然-水（Nature Water）》上。
该论文主要作者Camille Violet表示：“最近，膜科学界的动向是在更精确的水平上进行设计。我们需要更像生物化学家那样思考，在分子层面上进行设计，这样就可以分离化学性质相似的物种。”
举例来说，钴和镍在元素周期表中彼此相邻。这使得传统的膜（基于大小或电荷差异来分离物质）很难分离这些几乎相同的物质。Violet表示：“在需要分离的关键金属中，有一些只相差一个原子序数。随着人们使用的技术和产品越来越复杂，在从废物流中回收金属的过程中，所涉及的分离挑战更加困难。我们需要更精确地来设计分离技术。”
研究人员详细介绍了如何达到这一细节水平的计划。“该计划制定了路线图，从识别选择性化学基团以用于分离相似物种，到将它们纳入膜设计中。”
这样做可能产生巨大的实际利益。目前电池中使用的关键金属是一些非常重要的材料，如钴、镍、锰和锂。然而，提取这些金属往往会产生巨大的人力和环境成本。作为替代来源，废物流中存在大量未利用资源，比如电子垃圾含有稀土元素和贵金属，而废旧锂离子电池中含有钴和锂。Violet表示：“使用膜将是电池阴极材料资源回收方面的一大飞跃。随着社会的现代化发展，废物流变得越来越复杂，我们需要通过更好的解决方案来进行处理。”
研究人员为此从生命形式中汲取灵感。例如，几乎所有生物体都有钾离子通道，可以排除钠来运输钾。“如果将生物离子通道视为模型，我们就可以开始在膜科学中模仿这种设计。为了做到这一点，我们需要弄清楚如何选择对目标离子具有选择性的结合位点，以及应该如何在膜材料中设计这些结合位点，以便实现快速运输。”
这篇论文旨在让膜研究人员更能像生物化学家那样思考。Violet表示：“就选择性化学相互作用而言，生物化学比膜科学先进得多。金属蛋白能够选择性地结合这些金属，因此我们可以从蛋白质数据库中寻找例子。我们可以从药物开发中汲取灵感，并利用药物发现模型来尝试设计合成膜中的通道。”
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