手机膜、保鲜膜，这么多膜谁才是真正的膜界大咖？

中科院物理所 4天前

以下文章来源于中科院近代物理所，作者近代物理所

中科院近代物理所

聚焦中科院近代物理所科研成果及动态，传播科学知识。

膜，在我们的生活中随处可见。手机膜、保鲜膜、美容面膜、汽车玻璃膜，随随便便我们都能说出好多种膜。

其实，还有这样一种膜，因为具有神奇的能力，它被誉为是世界上最先进的精密筛分材料。它的生产制备与核技术密不可分，并且也已经融入了我们的日常生活，在食品饮料、医疗制药、化工、电子、环保等领域都有广泛的应用。

这位神秘的膜界大咖就是——核孔膜，全称核径迹蚀刻微孔膜。它还有好几个名号，“核微孔膜”、“重离子微孔膜”，说的也都是核孔膜本尊。

我们先从核孔膜的研究历史和制备说起。

1. 核孔膜是怎么造出来的？

核孔膜的历史可以追溯到上个世纪60年代，是在固体核径迹技术的基础上发展起来的，最早在美国通用电气（GE）研究室制备成功。Fleischer和Price等人利用放射性核素产生的裂变碎片轰击薄膜和矿物质材料，发现可以制备出特殊的微孔。

图核孔膜最早在美国通用电气研究室制备成功

这种新型的微孔膜，孔的形状规则、孔径均匀，和其它膜在生产方法和微孔结构上完全不同。

研究者们预测，这种性能奇特的薄膜将在过滤、物质分离等方面获得广泛的应用。70年代初，美国率先实现了核孔膜的商品化生产，主要用于一些精密的分析检测行业。

图典型的核孔膜电子显微镜图像

早期，核孔膜是在核反应堆上利用铀等重核的裂变碎片轰击膜材而制成的。但是，这种方法的效率和产能都比较低，所以产业化很难推广。而且，由于裂变碎片的质量和能量都不是单一的，射程有限，核孔膜的质量也不够完美。

随着加速器技术的兴起，科学家们想出了一个安全、高效的制备核孔膜的方法——利用重离子加速器辐照形成离子径迹。

加速器将重离子加速到非常高的能量，去轰击一定厚度的薄膜。离子辐照后在薄膜中形成的径迹是非常微小的，很难观察，被称作为“潜径迹”。经过化学蚀刻后，潜径迹处形成孔道，最终形成各种各样的核孔膜。

目前，美国、德国、日本、瑞士、俄罗斯和中国等国家都利用现有的重离子加速器装置生产核孔膜。

图：中科院近代物理研究所用于核孔膜辐照的分离扇回旋加速器（SSC）

用加速器来生产核孔膜有这么多的优点，如果非要说一个缺点，那就是费钱！早期，受限于加速器装置运行的高昂成本，核孔膜的价格一直很高，一平米需要几百元甚至上千元。

因此，如何降低核孔膜的成本，让更多的普通人受益，一直都是研究者们的重要课题。

中科院近代物理研究所拥有亚洲能量最高的兰州重离子加速器装置，有专门用于高性能核孔膜辐照的终端及蚀刻线，具有批量生产核孔膜的独特条件。

利用加速器能量高的优势，兰州重离子加速器在真空外可一次性同时辐照6层膜材料，1小时能生产1万平米，极大地降低了核孔膜的成本。

图：核孔膜辐照终端

图：经过高能重离子辐照的薄膜（左）、核孔膜辐照卷膜机（右）

2. 真的有那么神奇吗？

真的！核孔膜区别于普通膜的最大特点，就是它的孔径均一、孔形规则，每一个孔的尺寸与形状几乎完全相同。核孔膜是所有膜材中唯一具备筛分机理的滤膜，因此被誉为是世界上最先进的精密筛分材料。

图核孔膜与常规膜对比

在肉眼可见的尺度，想做到孔径一样，并不难。然而在微观尺度下，普通膜就捉襟见肘了。核孔膜能轻松做到，就是因为它的每个微孔都是由种类和能量相同的离子辐照和后期蚀刻形成。更厉害的是，这些纳米级、微米级的小孔，其孔径和孔密度还能被精确调控！

通过控制高能重离子的辐照和蚀刻条件，就能定制我们需要的核孔膜。孔径可以在亚纳米到几十微米的范围内任意选择，孔的密度可以做到从1平方厘米1个小孔到上亿个小孔。

这样精密的加工工艺，即使工业激光也无法做到，更别说机械方法或者化学工艺了。正是这些精密的小孔，使核孔膜具有了独一无二的特性。

核孔膜的材料选择范围也非常广泛，塑料、玻璃、云母等都可以作为原材料，还可以选择耐高温和酸碱的材料，常见的材料有聚酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）和云母等。

图核孔膜的材料选择范围广泛

有趣的是，除了常见的圆柱状孔道以外，研究者们还可根据不同需求，通过对离子径迹进行后处理调控，形成不同的孔道形状，比如漏斗形、酒杯形、铅笔形等特殊的孔道。

图：不同孔道形状的核孔膜

此外，与普通膜相比，核孔膜的表面平整光滑，对水、病毒、细胞、生物大分子（聚合物）无吸附，不会吸收溶解于滤液中的物质。而且核孔膜本身没有粒子、纤维等脱落，因此不会像其他滤纸一样二次污染滤液。核孔膜还具有良好的化学稳定性、热稳定性，机械强度高，韧性好，可折叠，可反复热压处理。

图：核孔膜过滤黄河水示意图

3. 核孔膜神器，就在你身边

核孔膜的特性这么优异，我们究竟能用它来做些什么呢？一起来看看几种已经推向市场和正在研发中的核孔膜神器吧！

百变过滤器

作为一种理想滤膜，核孔膜在医学制药、细胞检测、空气净化、食品饮料等多个领域都有广泛应用，说它是百变过滤器，一点儿也不夸张。

图核孔膜精密输液器生产

传统的输液器过滤膜由纤维膜盘结压制而成，非常容易脱落异物，造成输液污染；而且在输液过程中，纤维膜会吸附药液里的药剂成分，从而造成疗效损失。

这些问题都难不倒核孔膜。核孔膜还可以显著提升对微粒的截留率，有效预防因微粒引起的过敏反应、静脉炎、热原反应、血管栓塞、肉芽肿等，保证患者输液安全。难怪现在美国、日本、韩国以及欧盟等国的国家药典上规定，大输液器上的过滤膜都是各种规格孔径的核孔膜。

图：TCT 癌细胞检测膜片及显微镜照片

TCT 细胞检测是目前国际领先、使用最广泛的一种宫颈防癌细胞学检查技术。检测采用核孔膜进行高精密度过滤，妇科过滤膜筒上有20万个7.5微米的小孔，能采集所有的病变信息。

图：核孔膜材质的开水过滤器、茶水过滤器

在日常生活中，核孔膜还应用于酒类、饮用水、茶饮料等的澄清和除菌过滤。核孔膜能够有效地去除啤酒、葡萄酒以及各种饮料中的酵母、细菌、残渣等，改善澄清度，达到冷消毒的效果，延长其贮存期，并且降低生产过程中的能耗。

图：核孔膜被应用于防霾纱窗、防霾口罩

过滤能力这么优秀，空气净化当然也少不了核孔膜。

防伪标识

除了用来过滤，核孔膜还有很多别的本领，核径迹防伪就是其中的一种。

目前，世界上没有任何一种技术能制作出类似的防伪图案。具有这样的技术独占性，用核孔膜来防伪实在是再合适不过了！如果你用高倍放大镜仔细观察防伪标识的图案，你会发现这些图案是由很多小点——也就是微米级的微孔组成的。

利用微孔道的透气、透水性，我们可以通过滴水消失、笔涂上色等方法来进行防伪识别。微孔道里充满液体后，膜的光学特性也随之发生了变化。如果滴一滴水在防伪图案上，图案会马上变浅、甚至消失，那么恭喜你，买到的就是正品！

锂电池隔膜

未来，核孔膜还有望被应用在锂离子电池中。

现代人的生活已经离不开锂离子电池。智能手机等3C设备、新能源汽车、人工智能设备等都需要它，而且应用领域还在不断扩大。作为锂离子电池的一个关键组件——电池隔膜，其品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻燃止爆安全性能等指标，对于电池的性能和安全起着至关重要的作用。

但是，目前国际上先进的隔膜制备工艺和技术被国外所垄断，使得高端电池隔膜仍然依赖进口。研究者们正在利用核孔膜的技术优势，采取完全不同于传统隔膜制备方法的技术路线，研制材质更加多样、孔径更加均匀、安全性更高的新型锂离子电池隔膜。

图：研究者们正在利用核孔膜的技术优势，研制新型锂离子电池隔膜 | 制图：吴书航

这张薄薄的膜，真是能力无穷。限于篇幅，以上我们只介绍了核孔膜应用的一小部分，在超流体研究、化学分离、同位素分离、辐射剂量学、生物工程、医学研究、质谱技术、绝热技术、净化技术、真空技术、电子工业、制药工业和食品工业等多个领域，核孔膜都有大显身手的机会。

随着科学技术的发展，这位膜界大咖的应用必将更加广泛。一起期待它被更多人所知、被更多人所用的明天吧！

撰写：刘芳

感谢刘杰、莫丹、段敬来、姚会军、侯明东、王玲玲等老师为本文提供资料并提出修改意见。

参考资料：

1. Mo D, Liu J, Duan J, Yao H, Chen Y, Sun Y, et al. Plasmon resonance of copper nanowire arrays embedded in etched ion-track mica templates. Materials Letters. 2012; 68: 201-3.

2. Mo D, Liu J,Duan JL, Yao HJ, Latif H, Cao DL, et al. Fabrication of different pore shapes by multi-step etching technique in ion-irradiated PET membranes. Nuclear Instruments & Methods in PhysicsResearch Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms. 2014; 333: 58-63.

3. 郭洪英, 黄正德. 离子微孔膜的研究及应用[J]. 核技术, 2002, 7: 559-564.

4. 张林, 莫丹, 丁天栋. 核孔膜在茶汤过滤中的应用[J]. 核技术, 2018, 41(1).

5. 郭士伦. 核孔膜的特性和应用[J]. 物理, 1988, 17(5): 285-289.

6. 曹殿亮, 刘杰, 曲晓华, 段敬来, 莫丹, 姚会军, 陈艳峰, 孙友梅. 利用重离子辐照技术制备锂离子电池隔膜[J]. 原子核物理评论, 2010, 27(1): 102-106.

原标题：“膜”力无穷，你就是当之无愧的膜界大咖

来源：中科院近代物理研究所