来自石溪大学和美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的研究人员首次揭示了反渗透膜的分子结构。这项研究发布在美国化学学会（ACS）期刊《ACS Macro Letters》最近发表的一篇论文中。
根据国际水协会的数据，反渗透是将微咸水或海水转化为饮用水的主要方法，在全球范围内每天用于生产约250亿加仑的淡水。布鲁克海文国家实验室的资深科学家Benjamin Ocko说：“地球上大部分的水都在海洋中，只有百分之三的水是淡水，因此水净化是满足日益增长的饮用水需求的一个重要工具。反渗透不是新技术，尽管它很重要，但以前我们并不知道许多用作反渗透膜阻挡层的非常薄聚合物膜的分子结构。”
反渗透膜中使用的薄聚合物阻挡层是半透性的。水等小分子可以从膜的一侧穿至另一侧，但水合钠离子或氯离子等其他分子不能穿过阻挡层。这一特性使得这些膜能够从盐水中过滤出盐来制造饮用水。在商业反渗透过程中，盐水被加压以迫使淡水通过膜。因此反渗透设备的能耗很高。用反渗透法生产100加仑的淡水，能源成本大约是1千瓦时，相当于运行一盏100瓦的灯泡10小时。
石溪大学的杰出教授Benjamin S. Hsiao说：“即使是滤膜性能的微小改进，也会在全球范围内节省大量的能源和成本。因此，我们在分子水平上研究膜，想弄清楚分子结构如何有助于高效膜，并利用这一知识设计改进膜。”
该团队使用一种称为界面聚合的方法，在油/水界面上制作了一个界定明确的聚合物膜。像双组分环氧树脂一样，一种分子组分加入水中，另一种加入油中。在水和油接触的界面两种分子成分相互反应，形成非常薄的聚合物膜。
生成的膜只有人类头发厚度的千分之一，它在结构上类似于商业反渗透膜中的薄阻挡层，但要光滑得多。通过使用来自国家同步辐射光源II（NSLS-II）超亮X射线以及先进的分析和模拟工具，研究人员开始揭示膜的分子结构与其有效性之间的关系。
为了解决膜的分子结构问题，该团队使用一种称为掠入射宽角X射线散射的技术研究了X射线在NSLS-II复合材料散射（CMS）和软物质界面（SMI）光束线中的散射模式。X射线以一个微小的角度撞击膜并从表面散射出去。然后被一个探测器捕获，该探测器记录X射线特定于膜分子结构的所谓散射模式。
散射模式能够识别分子堆积基序：聚合物中的相邻分子是如何相互排列的。一个是平行基序，另一个是垂直基序。当两种堆积基序都存在时，垂直堆积基序与最佳过滤性能有较好的相关性。研究人员还发现分子结构相对于膜表面具有优先的取向，可能与膜中的水通道的方向有关。
最近，该团队开始研究为商业水净化系统制造的反渗透膜。用于制备这些膜的化学物质与用于在油/水界面制备膜的化学物质相同。商用膜显示出与实验室在油/水界面制备的模型膜相似的结构性质。
通过对许多膜材料的研究，并将其X射线测定的结构特性与过滤特性进行比较，科学家们希望能建立一个详细的结构-功能关系，这将有助于为未来几代的水过滤系统开发更节能的膜。
