在石油化工产业中，从原油到汽油、柴油等成品油，往往需要用蒸馏、催化等方法分离不同物质。不同于传统的蒸馏法，膜分离法能够极大降低加工成本，提高分离效率和纯度，但这也对分离膜的性能提出了更高的要求。

中山大学化学学院郑治坤教授团队经过五年钻研，成功制备出高韧性、高弹性、高机械强度的二维晶体薄膜，并报告了一种利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶畴形成编织晶界结构的制备方法，有望扩展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的应用。近日，相关成果刊发在《自然》杂志。

用5年做出一张极薄的分离膜

在郑治坤的实验室，一张弹性晶体膜附着在硅片上。如果不是镊子夹取造成的残缺，几乎肉眼无法看见它的存在。

为了做好这样一张膜，团队整整用了五年时间。

全球每天生产原油超过1亿桶，而石油化工近80%成本花在分离上。膜分离法成为化工生产领域降低能源消耗、削减加工成本、提高分离效率和产品纯度的一条“出路”。

“理论上，膜分离是常规分离成本的十分之一。”郑治坤说。传统有机高分子材料制成的分离膜，浸到油里会被溶解或溶胀，使用全结晶的分离膜则不会。

为此，郑治坤教授课题组深入研究晶态聚合物均孔膜的制备、结构和性能调控等问题。

“我们这项研究其实解决的是两个力学问题，一是材料强度和韧性的同步提升，二是改善晶体的脆性，让它不那么易碎。”郑治坤介绍。

晶界是晶体内部的缺陷结构。通常，天然和合成晶态材料是由多个单晶晶畴连接到一起，其间的大量晶界制约着材料的机械稳定性。

“这种影响在由单层原子或少数原子层构成的二维晶体中格外严重，一个线性晶界就将导致二维晶体薄膜的断裂。”郑治坤说。

对各种材料来说，机械强度和韧性往往互相矛盾，难以兼得，对于晶体当然亦是如此。

在钢铁冶炼中，人们通过引入新的物质——碳来改变材料结构，调控材料的物理性质，调制出强度和韧性均合适的材料。但在晶体的制备中，“掺杂”难以做到，因为结晶就是排异的过程。

经过大量的观察和实验，郑治坤团队想到了高分子材料中的一种典型结构——编织结构。如同毛衣由毛线经纬交织而成，部分高分子材料在聚合时也能相互缠绕、交错，从而拥有较强的柔性。

“这种结构一般不会在晶体中存在，但为了获得这种柔性的性质，也许可以把这种结构迁移到晶体中去。”郑治坤说。

实验表明，这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点，其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不扩展，且不影响裂纹附近膜的机械性能。

在这个思路的指导下，郑治坤团队在制备二维晶体聚合物时加入牺牲性导向试剂，以线性聚合物为“梭”，利用其自发缠绕、穿插的特性，将二维聚合物编织起来，形成编织晶界。待晶界形成，线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。

从把膜制作出来，到实现孔洞均一，再到让它更高效、更可靠、更耐用，团队无数次反复试验，攻关“拦路虎”，最终破题。

未来将拥有更多的应用场景

“五年磨一剑”，终于制备出这一张晶体分离膜，将改变什么？郑治坤表示，这一成果为二维晶体材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了基础。

其中，柔性材料可用于生产柔性显示器、柔性电池、柔性传感器等；膜分离技术则已普遍用于化工、环保、生物工程等领域。与常规膜分离相比，全结晶的聚合物膜有望以更高效率分离出更高纯度的物质。

以石墨烯为代表的二维晶体材料自发现以来便备受关注。其具备的多种理化性质使其在光电信息、催化、可穿戴电子器件等领域具有许多潜在应用价值。

然而，这类材料在制备上往往有产率低、结构性能不稳定等问题，极大限制了其在工业领域的应用。郑治坤课题组一直希望解决碳四到碳八的分离问题。

其中，支链碳五和碳六是典型的汽油组分，碳八则有邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙苯等，其中对二甲苯（PX）是生产聚酯纤维和树脂、涂料、染料及农药的原料。

“这些都是生活中十分常用的化工材料，而我们的目标就是更高效率地获得纯度更高的产品，在这个基础上，再追求低成本、环境友好等目标。”郑治坤说，“我们一定要做好这张晶体分离膜。”

他表示，下一步，团队还将继续围绕这种分离膜的制备方法和分离性能开展研究，尤其是对分离膜的稳定性、分离纯度、分离速度和对环境的要求等进行实验检验。

在未来，这张分离膜还可以改性，通过调整孔径、分子和分子的主客体相互作用、电性、磁性等性质，拥有更多的应用场景。

南方日报记者李秀婷

通讯员朱嘉豪李建平