在“双碳”目标和全球清洁能源转型的大背景下，对铀、铜、金等关键金属的需求正呈指数级增长。然而，依赖大量有机溶剂的传统溶剂萃取法，因其高污染、高能耗的先天缺陷，已成为制约我国战略性资源供给保障与环境可持续发展的“卡脖子”难题。

能否找到一种兼具高效、绿色与高选择性的新方法，事关国家在新能源时代的产业竞争力与科技自主权。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合江汉大学、中国科学院理化技术研究所，在国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》上给出了突破性答案——他们受生物钙离子通道启发，成功开发出一种普适性的关键金属离子膜分离方法，一举攻克了关键金属离子“吸附越强、传质越慢”的传统悖论，有望引发战略性金属资源提取技术的绿色变革。

颠覆认知：向生命系统“取经”

“吸附越强，分离越难”，这曾是膜科学领域难以逾越的铁律。由于关键金属离子价态高、天然易吸附，它们在传统认知中一旦被吸附，就极难脱附并在膜内传输，这使得膜分离法在关键金属提取领域长期被视为不可能完成的任务。

然而，研究团队将目光投向了自然界中的精妙设计。他们注意到，生物体内的钙离子通道能够从浓度高出其数千倍的钠离子背景中，精准识别并高速传输钙离子，展现出“吸附越强，传输越快”的反常输运性能。其背后奥秘在于两大协同机制：一是“异常摩尔分数效应”——少量高亲和力离子占据狭窄通道后，会高效排斥其他竞争离子;二是离子在通道内呈“单列”排布，彼此间的静电排斥反而降低迁移能垒，实现高速集体输运。

研究团队提出一项科学假说：若能在人工膜材料中构建宽度与单离子尺寸相当的一维通道，并在其内壁修饰对目标金属离子具有高亲和力的功能基团，则有望在宏观尺度上复现这一自然奇迹。

膜内建“离子高速公路”：技术内核与实证突破

为将假说变为现实，研究团队选择了共价有机框架材料(COF)作为基础平台。他们精心选取了一种孔径略大于单个离子的COF膜，并在其孔壁上密集引入了对铀酰离子具有极强亲和力的偕胺肟基团。这一设计，在膜内构筑起了一条对目标离子具有“超高识别与捕获”能力的单维纳米通道，仿佛为铀离子量身定制了一条专属的“绿色通道”。

实验结果震惊了学界。在真实海水的严苛测试中，该膜展现出了惊人的性能：在仅施加0.2V低电压的驱动下，铀的提取通量达到87.6 mg g⁻¹ day⁻¹，其对关键干扰离子——钒的选择性高达734，比现有最佳吸附材料提升了一个数量级以上。这意味着，该膜不仅能够稳定、高效地富集铀，甚至在无需化学再生的前提下，于高浓度竞争离子环境中依然保持极高的靶向分离精度，彻底颠覆了传统膜分离技术在该领域的应用瓶颈。

解锁绿色提取的无限可能

更具革命性意义的是，该研究团队进一步证实，这种仿生分离机制具有高度普适性。通过简单地更换特异性吸附基团，该膜分离平台便能轻松拓展至铜、金，乃至稀土等更多关键金属离子的分离回收。

这项技术不仅是方法的突破，更是范式上的统一。它成功地将传统的“吸附法”与“膜分离法”融为了一体，既能像膜分离一样实现连续、高通量、无再生的工业化操作，又能像吸附剂一样，通过排斥竞争离子进入通道，展现出比传统吸附材料更强的吸附容量和选择性。

绿色变革与未来挑战

这项仿生膜分离技术的问世，为构建我国自主可控、绿色高效的关键矿产供应链提供了全新的理论和技术支撑。它不仅有望将传统高污染、高能耗的金属提取工艺转变为低能耗、零有机溶剂的清洁过程，更将有力保障我国在新能源、电子信息等战略性新兴产业的资源安全。

目前，研究团队已得到国家自然科学基金等项目的持续资助，正全力攻克仿钙离子通道分离膜的规模化制造难题，以期尽快推动这一“绿色分离术”从实验室走向工业化应用。正如通讯作者高军研究员和李朝旭教授所展望的，这项成果将彻底改变关键金属的提取范式，引领一场“师法自然”的绿色工业革命。