科创团队《Nature Synthesis》巧织“分子网”，能从海水中筛分稀缺“核能之水”

灵感，源自千年编织技艺；成果，关乎未来能源战略。  

在核能反应堆的深处，在尖端医疗的诊断中，有一种看似普通却至关重要的“水”——重水。它是不可替代的战略资源，但大自然却极其吝啬，在普通水中仅藏有万分之一点五。

从浩渺如海的水中，高效节能地提取这微乎其微的重水苦难重重，是困扰科学界半个多世纪的难题。

近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）黄飞鹤/李光锋/肖丁团队与刘明团队合作，从古老的编织技艺中汲取灵感，成功研制出一种名为 “多孔分子编织物” 的新材料，织就了一张无比精巧的“分子网”，实现了对重水分子的精准分离。这项颠覆性的研究成果近期登上《Nature Synthesis》，黄飞鹤教授、李光锋研究员、刘明研究员为本文通讯作者，肖丁研究员、胡丁月博士、杨思源博士与杨雪博士为本文第一作者。

一、挑战：当“轻水”与“重水”成为化学上的双胞胎

要理解这项突破的意义，首先要明白分离重水之难。

普通水由轻水（H₂O） 分子组成，而重水（D₂O）分子中的氢原子，是其较重的“兄弟”——氘。一个氘原子比氢原子多一个中子，这使得D₂O分子比H₂O分子重约11%。

然而，除了质量和体积上那微不足道的差异，它们在化学性质上几乎是一对“双胞胎”。传统的分离方法，如蒸馏和电解，无法简便区分这对“双胞胎”，导致过程能耗极高、效率极低，占据了重水生产成本的绝大部分。

二、破局：向古老智慧寻求答案——编织一张分子之网

面对这一挑战，黄飞鹤/李光锋/肖丁团队与刘明团队独辟蹊径，将目光投向了人类最古老的技艺之一——编织。

团队设想：能否像织布一样，在分子层面上编织出一种材料，其网眼的大小和形状刚好能灵敏地分辨并捕获较“胖”的重水分子呢？

顺着这样的思路，他们成功合成了一种名为 PWPN-1 的晶体材料。在这张微观的“布料”中：分子作为经纬线，通过超分子作用力，巧妙地交织成一张二维的分子编织层。这些编织层再通过如同木工榫卯的精密结构，层层堆叠，构筑成一个稳固的、带有连续孔道的三维网络。

就这样，一张具有特定大小“网眼”（通道）和“结节”（空腔）的“分子网”诞生了，其结构之精妙，令人叹为观止。

图1：水同位素体分离策略的概念总结与编织聚合物单晶PWPN-1的晶体结构。

三、实战：“智能渔网”如何精准捕获重水

光有结构还不够，这张“渔网”必须在实战中证明自己。研究人员采用了最接近工业应用的 “动态突破实验” 来检验它——将材料填装在柱子中，让水同位素混合物持续流过。

结果令人振奋：

在静态吸附实验中，PWPN-1就表现出对D₂O的明显“偏爱”，其吸附量和吸附速率都高于H₂O；在动态实验中，当混合水流过填充柱时，轻水（H₂O）率先“冲”出，而重水（D₂O）则被材料有效地“挽留”，从而实现清晰的分离。在不同比例的混合物中，这种分离效果都非常显著。更可贵的是，这张“分子网”异常坚固耐用。在连续十次的循环使用后，其分离性能几乎没有衰减，展现了巨大的实际应用潜力。

图2：吸附性能分析与突破实验。

四、揭秘：“自适应网眼”是分辨双胞胎的关键

为什么这张“网”能如此智能？关键在于其通道的 “自适应”能力。

通过高分辨率的晶体结构分析，科学家们直接“看到”了微观世界里发生的奇迹：在空置状态下，编织通道的边长为 5.15 埃。当H₂O分子进入后，通道会微微膨胀至 5.31 埃，以容纳H₂O分子。而当更“胖”一点的D₂O分子到来时，通道竟然会扩张得更大，达到5.60 埃！

正是这零点几个埃（1埃等于百亿分之一米）的差异，成为了区分双胞胎的“尺子”。更大幅度的扩张意味着材料骨架与D₂O分子发生了更强的相互作用，从而能更优先、更牢固地将其“锁”在网中。这种微小的结构自适应，被巧妙地放大为显著的分离效果。

图3：材料通道在吸附H₂O和D₂O后发生不同程度的结构自适应扩张。

“这是首次将宏观的编织拓扑结构引入多孔材料领域，开创了‘分子编织材料’的新方向，”黄飞鹤教授分享道，“它不仅仅是为高效、节能分离重水提供了一个全新的解决方案，更重要的是，它为我们打开了一扇充满想象的大门。”这种“编织拓扑自适应智能筛分”的理念，未来或可应用于更多难以分离的混合物体系，如其他同位素、药物分子异构体等，在核能、化工、生物医药等领域展现出广阔的应用前景。