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类似的想法也在膜分离科学领域发挥作用，膜分离是生物技术、石化、水处理、食品和饮料等各个行业的核心过程。
美国能源部阿贡国家实验室能源水系统先进材料 (AMEWS) 中心主任 Seth Darling 表示：“分离是我们日常生活中使用的许多产品的核心。膜是实现高效分离的关键。”
许多商业工艺使用膜分离不同大小的溶质，这些溶质是溶解在水或其他液体中的物质。几乎所有商用膜都是多分散的，这意味着它们的孔径不一致。对于这些膜，几乎不可能对材料进行精确分离，因为不同大小的溶质可以通过不同的孔。
“基本上所有商用膜，所有实际用于任何用途的膜，都具有各种各样的孔径——小孔、中孔和大孔，”达林说。
达林和他在阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的同事一直对等孔膜的特性很感兴趣，等孔膜是指所有孔径都相同的膜。
此前，科学家认为，在纳米尺度上实现的分离精度是有限的，这不仅是因为孔径的变化，还有一种称为“受阻传输”的现象。
受阻传输是指溶质试图穿过孔隙时流体介质的内部阻力。
达林说：“孔隙中的水会对试图通过的分子或粒子产生阻力，导致其速度减慢。”
“那些速度较慢的溶质似乎被膜排斥。与直觉相反，即使是孔径只有一半的物体，也有一半的时间会被排斥。”他解释说，克服运输受阻造成的排斥将使基于尺寸的分离具有前所未有的选择性。
“我们感兴趣的领域涉及直径约为 10 纳米的孔。有了完美的膜和适当的工艺设计，我们相信我们可以分离尺寸差异仅为 5% 的溶质。目前的膜没有机会实现这一点，”达林说。
在一项新研究中，达林和他的同事发现了一种只有通过研究等孔膜才能揭示的动态现象，这为克服受阻运输限制带来了希望。基于这项研究的论文发表在 6 月 20 日的《自然水》在线版上。
“到目前为止，科学家们一直隐含地认为每种溶质只有一次机会通过一个孔隙，而运输受阻会导致许多小于孔径的溶质被排斥，导致它们停留在进料流中而不是输出流中，”达林补充道。
“尽管对于某些人来说这似乎很明显，但人们从未真正考虑过溶质可以多次尝试穿过膜的情况。”
为了让溶质分子有多次机会通过孔隙，需要循环进料溶液数周。
达林说：“即使经过一段较长的实验期，我们仍然只能看到单个溶质平均尝试穿过孔隙几次，但这对将分离曲线移向更尖锐的阶梯状函数有很大影响。”
“如果给予更长的时间，或者更有可能的是改进工艺设计，我们相信我们将在孔径与溶质尺寸相匹配的地方看到清晰、尖锐的分离。”
从等孔膜中获得的见解可应用于现有的膜材料，以增加溶质通过孔隙的机会。
他说：“如果这些基础研究能够成功转移到工业膜分离领域，那么将对我们经济的众多领域产生巨大影响。”
