塔夫茨大学工程学院的一组科学家开发了一种受生物学启发的新过滤技术，可以帮助遏制影响全球数千万人的与饮用水有关的疾病，并有可能改善环境修复、工业和化学生产，以及采矿等过程。
在美国国家科学院院刊上的报告中，研究人员证明他们的新型聚合物膜可以将氟化物与氯离子和其他离子(带电原子)分离，选择性是其他方法报道的两倍。他们表示，该技术的应用可以防止水源中的氟化物毒性，因为水源中天然存在的元素含量太高，无法供人类消费。
众所周知，在供水中添加氟化物可以降低蛀牙的发生率，包括蛀牙。鲜为人知的是，一些地下水源的天然氟化物含量如此之高，会导致严重的健康问题。长期接触过量的氟化物会导致氟中毒，这种情况实际上会削弱牙齿，使肌腱和韧带钙化，并导致骨骼畸形。世界卫生组织估计，饮用水中氟化物浓度过高已导致全世界数以千万计的氟牙症和氟骨症病例。
使用相对便宜的过滤膜去除氟化物的能力可以保护社区免受氟中毒，而无需使用高压过滤或必须完全去除所有成分，然后重新矿化饮用水。
“离子选择性膜减少饮用水供应中过量氟化物的潜力非常令人鼓舞，”工程学院化学和生物工程副教授 Ayse Asatekin 说。“但该技术的潜在用途从饮用水扩展到其他挑战。我们用来制造膜的方法很容易扩大到工业应用。而且因为作为过滤器的实施也可以相对简单、成本低且环境可持续，它可以广泛应用于改善农业供水、清理化学废物和改善化学品生产。
例如，从理论上讲，该过程可以提高用于可持续锂电池生产的锂的有限地质储量或核能发电所需的铀的产量，Asatekin 说。
在开发合成膜的设计时，Asatekin 的团队受到了生物学的启发。细胞膜在允许离子进出细胞方面具有显着的选择性，它们甚至可以非常精确地调节离子和分子的内部和外部浓度。
生物离子通道通过用具有不同大小和电荷以及对水的不同亲和力的功能性化学基团排列通道，为这些小离子的通过创造了更具选择性的环境。通过的离子与这些基团之间的相互作用受通道孔的纳米尺寸的影响，而通过速率受相互作用强弱的影响。
Asatekin 团队创建的过滤膜是通过将两性离子聚合物(一种分子基团在其表面上包含紧密连接的正负电荷的聚合物)涂覆到多孔载体上而设计的，从而形成通道比纳米更窄的膜被两者包围防水和带正电荷和负电荷的化学基团。与生物通道一样，孔的尺寸非常小，迫使离子与孔中的带电和斥水基团相互作用，从而使某些离子的通过速度比其他离子快得多。在当前的研究中，聚合物的组成旨在针对氟化物与氯化物的选择。研究人员说，通过改变两性离子聚合物的组成，应该可以针对不同离子的选择。
大多数当前的过滤膜通过颗粒或分子大小和电荷的显着差异来分离分子，但由于它们的尺寸小并且当它们的电荷几乎相同时难以区分单个原子离子。
相比之下，塔夫茨大学研究人员的膜能够分离仅相差一小部分原子直径的离子，即使它们的电荷几乎相同。
Zwitterco 是一家为这项工作提供资金的剑桥公司，该公司将探索扩大离子分离膜的制造规模，以测试其在工业环境中的应用。
