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降低能源和财务成本，以及提高海水淡化的简单性，可以帮助世界各地难以获得安全饮用水。

水资源短缺是世界范围内日益严重的问题。海水淡化是一种既定的生产饮用水的方法，但伴随着巨大的能源成本。研究人员首次使用氟基纳米结构成功过滤水中的盐分。与目前的脱盐方法相比，这些含氟纳米通道的工作速度更快，需要的压力和能量更少，并且是一种更有效的过滤器。

如果您曾经用不粘的特氟龙涂层煎锅烹饪过，那么您可能已经看到过湿的食材很容易在其周围滑动的方式。发生这种情况是因为聚四氟乙烯的关键成分是氟，这是一种轻质元素，具有天然的防水性或疏水性。聚四氟乙烯也可用于管道内衬以改善水流。这种现象引起了东京大学化学与生物技术系副教授 Yoshimitsu Itoh 及其团队的注意。它激发了他们探索由氟制成的管道如何在不同的尺度上运行，即纳米尺度。

图片来源：© 2022 Itoh 等人。

“我们很想知道含氟纳米通道在选择性过滤不同化合物方面的效果如何，特别是水和盐。而且，在运行了一些复杂的计算机模拟之后，我们认为值得花时间和精力来创建一个工作样本， "伊藤说：“目前有两种主要的海水淡化方法：热法，利用热量蒸发海水，使其冷凝为纯净水，或者通过反渗透，利用压力迫使水通过阻挡盐的膜。这两种方法都需要大量能量，但我们的测试表明，氟纳米通道需要的能量很少，而且还有其他好处。”

该团队制造了新型化学合成的纳米级氟环过滤膜，这些氟环被堆叠并嵌入在其他不可渗透的脂质层中，类似于构成细胞壁的有机分子。他们创建了几个具有约 1 到 2 纳米纳米环的测试样品。作为参考，人类的头发几乎有 100,000 纳米宽。为了测试他们的膜的有效性，Itoh 和团队测量了氯离子的存在，氯离子是盐的主要成分之一——另一种是钠——在测试膜的两侧。

“亲眼看到结果非常令人兴奋。我们的测试通道中较小的通道完美地拒绝了进入的盐分子，而较大的通道仍然是对其他海水淡化技术甚至尖端碳纳米管过滤器的改进，”伊藤说：“真正让我吃惊的是这个过程发生的速度有多快。我们的样品比典型的工业设备快几千倍，比实验性的基于碳纳米管的海水淡化设备快约 2,400 倍。”

由于氟是电负性的，它排斥负离子，例如盐中的氯。但这种消极性的另一个好处是，它还分解了所谓的水簇，本质上是松散结合的水分子组，因此它们可以更快地通过通道。该团队的氟基水淡化膜更有效、更快、运行所需的能量更少并且使用起来也非常简单，那么有什么收获呢？

“目前，我们合成材料的方式本身是相对能源密集型的；然而，这是我们希望在即将进行的研究中改进的地方。而且，鉴于膜的寿命长且运营成本低，总体能源成本将比目前的方法要低得多，”伊藤说：“我们希望采取的其他步骤当然是扩大规模。我们的测试样品是单个纳米通道，但在其他专家的帮助下，我们希望在几年内制造出大约 1 米宽的膜。与这些制造问题同时，我们还在探索是否可以使用类似的膜来减少工业排放的二氧化碳或其他有害有毒物质。”

结果发表在《科学》杂志上。