图：左边是盐水，右边是新鲜的水

一种MoS2单层中纳米孔的计算机模型。此模型中，促使水通过的压力可以低于通过标准塑料膜的压力。

伊利诺伊大学的工程师们发现了一种节能材料，能够除去海水中的盐分，实现了海水淡化。

所谓的纳米孔就是二硫化钼（MoS2）纳米薄片上布满的小孔，该结构可以让大量的水通过，留下盐和其他污染物。这一分离水和盐的过程称为海水淡化。发表在Nature Communications上的一项研究中，伊利诺斯的团队模拟了各种薄膜的性能，发现MoS2在海水淡化中表现出最大的效率，比石墨烯薄膜过滤的水量高70%。

该研究的领导者，美国国际机械科学与工程教授 Narayana Aluru这样讲：“尽管我们这个星球上有很多的水，但只有一小部分（淡水）是可以饮用的，如果我们能找到一种低成本、有效地净化海水的方法，我们将在解决水危机问题上取得重大进展。”

Aluru补充到：“寻找高效脱盐的材料是海水淡化技术的关键，这种材料要能够有效利用能源，并且只引起较小的污染。我认为这项工作为下一代材料奠定了基础。 ” Aluru同时是贝克曼高级科学技术研究所的一员。

大多数可用的海水淡化技术都依赖于一种称为“反渗透”的方法：将海水通过一种薄的塑料膜来制备淡水。这种膜上有许多小孔——这些小孔足够小，以至于盐或污垢不能通过，但是能够让水通过。虽然它们可以很好地过滤掉盐，但所得的淡水含量却非常少。虽然用肉眼看来这些薄膜足够薄，但这些膜在分子水平上进行过滤，还是比较厚的。因此，必须施加大量的压力来推动水流的通过。

“反渗透是一个非常昂贵的过程，”Aluru说，“该过程需要消耗大量能量，效率较低。此外，如果孔洞发生堵塞，那么膜将会失效。因此，我们需要更便宜、更高效、更持久的膜材料。”

施加的压力与膜厚度成正比，所以即减小压力，又能增大水通量的方法是减小膜的厚度。研究人员一直在寻找纳米薄膜，如石墨烯。但是石墨烯与水之间的相互作用方式一直困惑着研究人员。

Aluru的团队使用DNA测序平台研究了MoS2纳米孔，并决定探索其淡化海水的性质。使用仪器是国家超级计算应用中心的“Blue Waters”超级计算机，他们发现MoS2单层片在膜的厚度、孔隙结构和化学性质方面具有优良的性能。

二硫化钼（MoS2）分子有一个钼原子夹在两个硫原子之间。二硫化钼片层（MoS2）中，硫位于两侧，中间为钼。在二硫化钼片层上形成一个孔，使孔中心环绕的钼露出来，就像一个喷嘴状的孔隙。研究人员发现这种构造可以使水通过。

 “二硫化钼具有先天的优势，中心的钼可以吸引水，然后被两侧的硫推出来，所以水从孔隙中的通过率很高。二硫化钼中，孔是固有的，孔的几何形状也是固定的，因此我们不需要修饰孔。而石墨烯中，修饰孔洞是一个非常复杂的过程。”这项研究的第一作者研究生Mohammad Heiranian说到。

除了上述的化学性质，单层的二硫化钼片（MoS2）十分轻薄，仅需较少的能量就能促使水流通过，从而大大降低了运营成本。且二硫化钼的强度足够大，即使这样的薄片也能够承受足够的压力和水压。

伊利诺斯的研究者通过实验测试了MoS2的海水淡化过程，研究了其结垢速率及孔洞堵塞问题。作为一种相对较新的材料，研究人员认为，随着其各种高性能应用的提高，其制造技术也将提高。

伊利诺斯的研究生，现在在斯坦福大学博士后研究员Amir Barati Farimani说，“纳米技术可以降低海水淡化工程的成本，同时实现节能。我现在在加利福尼亚，面临很多急需解决的干旱问题。我非常希望这项工作能够实际应用于海水淡化工厂。”

Narayana Aluru教授简介：

美国伊利诺伊大学机械科学与工程教授，Email：aluru@illinois.edu

研究领域：纳米技术，计算纳米技术

(本文来源:材料人网)

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