一張“離子膜”，如何影響世界？近日，中國科學院深圳先進技術研究院研發(fā)的“二維垂直亞納米通道膜技術”榮獲全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎。該技術通過構筑顛覆性的“二維垂直亞納米”通道結構，破解了膜法離子分離領域長期存在的“選擇性”與“通量”不可兼得的國際難題。

在能源、環(huán)境、水資源等領域，離子分離膜是決定裝備“性能上限”和“成本下限”的“芯片”。然而，傳統(tǒng)離子膜因其亞納米通道難以精準構筑，導致膜材料長期面臨一個難以逾越的瓶頸：選擇性與通量難以兼得。膜材料要實現(xiàn)精確篩分，就得犧牲傳質(zhì)速率；想要快速傳質(zhì)，就難以保證篩分精度。

從“0”到“1”的原始創(chuàng)新，是破解膜材料領域“高選擇性與高通量無法兼得”這一國際難題的有效路徑。

中國科學院深圳先進技術研究院成會明、丁寶福、羅杰及團隊成員聚焦“高選擇性兼高通量膜材料”這一科技制高點和產(chǎn)業(yè)高地，在深圳先進院國際上原創(chuàng)大面積構筑“二維垂直亞納米通道膜”的顛覆性膜結構。團隊4年磨一劍，實現(xiàn)了“狹縫式”二維垂直亞納米通道的有序組裝和突破了相關通道構筑的理論、技術、材料、工藝難點，相關技術連續(xù)在2024年及2025年兩獲得京津冀國家技術創(chuàng)新中心組織的顛覆性技術大賽優(yōu)勝獎，并與近期聯(lián)合中煤（深圳）研究院有限公司獲得國家重點研發(fā)計劃-顛覆性技術創(chuàng)新專項的支持，也是深圳先進院首個獲批的顛覆性技術創(chuàng)新專項項目。

這種基膜的突破，還有利支撐了多種含水處理膜、儲能用離子膜等功能膜的性能瓶頸的突破，并在2025年度內(nèi)，連續(xù)獲得了中國科學院搶占科技制高點攻堅計劃子課題、深圳市科技重大專項等重要縱向項目的支持，凸顯了其巨大的創(chuàng)新潛力與產(chǎn)業(yè)價值。

“二維垂直亞納米通道膜”技術的顛覆性，始于對膜材料最根本“原理”、“結構”、“工藝”的重構。

結構顛覆：從“曲折小路”到“垂直高速”

傳統(tǒng)分離膜內(nèi)的通道如同蜿蜒曲折的鄉(xiāng)間小路，路徑長、寬窄不一，導致分子、離子通行效率低且篩分不精準。

研究團隊首創(chuàng)了大面積構筑“二維垂直亞納米通道膜”這一顛覆傳統(tǒng)膜通道結構的構筑策略。團隊創(chuàng)制的膜材料內(nèi)，具備尺寸精準可控、尺寸均一、筆直垂直的二維納米通道，為目標物質(zhì)修建了足夠“寬闊”的“垂直高速公路”。

這項技術能夠在 0.4到1.0納米（約等于頭發(fā)絲的五萬分之一）的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對通道尺寸的任意、均一且垂直取向的精準調(diào)控，從而能精準、快速地區(qū)分任意兩種亞納米尺寸的離子或分子。

技術顛覆：從“分子為中心”到“有序疇為中心”的范式革命

為了構筑“二維垂直納米通道”這一全新的膜結構，團隊摒棄了傳統(tǒng) “以分子為中心”的膜材料研發(fā)思路和制備工藝，發(fā)明了 “以疇基元為中心”的全新制膜技術。這如同從用“無序的砂礫”建房，升級為用“制式規(guī)則的磚塊”建房，為“跨膜取向二維通道的構筑”奠定的結構學和材料學基礎，實現(xiàn)了膜材料研制范式的革新。該技術具備極強的普適性，可適配不同分子結構、化學屬性的制膜原料，為針對不同應用場景開發(fā)高性能膜材料帶來了無限可能。

性能顛覆：搶占膜材料性能、技術制高點

憑借革命性的結構設計與制備技術，“二維垂直納米通道膜”在多項關鍵性能指標上實現(xiàn)了顛覆性突破，全面刷新現(xiàn)有紀錄：能源領域：相比進口膜材，質(zhì)子傳導率提升1倍以上，陰離子傳導率提升4倍，提升了液流電池、電解水制氫等效率。資源提取領域：用于鹽湖提鋰時，水通量提升5倍，為綠色、高效獲取鋰資源提供了高效方案。水處理領域：正滲透海水淡化水通量提升1個數(shù)量級，率先實現(xiàn)了無需外加壓力的家用凈水，節(jié)能潛力巨大。

產(chǎn)業(yè)顛覆：專利布局完善，宏量化路線可行

一項真正的顛覆性技術，在于其能否形成從基礎研究到產(chǎn)業(yè)應用的完整閉環(huán)。團隊正在朝著這一目標前進：

團隊已形成完備的研發(fā)體系，建立了涵蓋“膜理論模擬、材料學、傳質(zhì)學、工程放大、器件開發(fā)、應用示范”的完備研發(fā)體系和隊伍。專利壁壘堅實，圍繞核心技術，已申請專利14項，已授權5項，PCT專利2項，形成了堅實的知識產(chǎn)權壁壘。產(chǎn)學研高頻聯(lián)動，技術已成功研發(fā)卷對卷制備裝備，完成了米級原型膜樣品制造，并與多家行業(yè)領軍企業(yè)、研究所簽訂合作開發(fā)與應用示范協(xié)議，持續(xù)推進產(chǎn)業(yè)化步伐。

“二維垂直納米通道”顛覆性膜技術，是深圳先進院堅持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場的生動體現(xiàn)。這項從“0”到“1”的原始創(chuàng)新，不僅為基礎科學貢獻了新的方向，更以其顛覆性的技術特點，為能源、環(huán)境、資源提取等眾多關鍵領域帶來了變革性的解決方案。從實驗室的原創(chuàng)概念，到大賽的脫穎而出，再到國家重大專項的認可與支持，這條清晰的路徑標志著“二維垂直納米通道膜”技術正加速從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，有望在未來為解決國家重大需求、推動產(chǎn)業(yè)升級貢獻“先進院力量”。

建立“二維材料液晶”新方向，原創(chuàng)“二維垂直亞納米通道膜”結構

兩獲“全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎”及系統(tǒng)化專利布局