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西瓜皮膜，是西瓜皮最外側(cè)那層綠色的膜，在冷凍剝離后只有大概75微米，差不多一根頭發(fā)絲的直徑，但卻展現(xiàn)出奇妙的“設(shè)計思維”。

這引起了團隊的興趣，并在第一時間向?qū)O立成匯報交流。孫立成很堅定地鼓勵他們虛心向西瓜皮“學(xué)習(xí)”，為未來仿生離子傳輸膜的制備提供指導(dǎo)。他親自將該項目命名為“西瓜皮計劃”。

水分子（H?0）由氫氧兩種元素組成，一個氧原子和兩個氫原子形成V字形結(jié)構(gòu)。雖然水分子在整體上是電中性的，但氧原子的電負(fù)性較大，帶有部分正電荷的氫原子能與另一個水分子中氧原子的孤對電子相互作用“連接”在一起，這種作用力被稱為氫鍵。

目前，即便人類最頂尖的芯片制造技術(shù)，也剛剛能夠在5納米以下的空間里，制造出邏輯電路。這卻是對西瓜皮的“基本操作”，“生產(chǎn)圖紙”就儲存在DNA里。

在西湖大學(xué)張鑫教授的引薦下，團隊成員又與在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的顧穎博士進(jìn)行了交流，了解到細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和成分的復(fù)雜性。通過多種表征技術(shù)手段，研究團隊鎖定了細(xì)胞壁的主要成分——包括纖維素、半纖維素和果膠。

但面對西瓜皮膜內(nèi)錯綜復(fù)雜的納米級通道，以及細(xì)胞壁中生物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和組成，研究團隊依然不敢說已經(jīng)全然了解西瓜皮膜的機制。

答案逐漸浮現(xiàn)：一方面，氫氧根離子通過連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)和微孔通道加速，如同上了高速公路；另一方面，酸根離子被果膠中的羧酸根排斥，并與果膠和纖維素里的羥基形成氫鍵，它們被拖住了。

至此，西瓜皮膜的機理終于基本探明。它展現(xiàn)出來的精妙機理，正在指導(dǎo)實驗室進(jìn)行全新的離子傳輸膜設(shè)計，制備了分別用于電解水以及電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)的陰離子交換膜，并展現(xiàn)出超高性能。目前這些后續(xù)研發(fā)正在推進(jìn)階段。

離子傳輸膜是電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)、電解水和燃料電池等可再生能源轉(zhuǎn)換與存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到能源轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)物收集成本。目前廣泛使用的離子傳輸膜分為四類，但都存在諸多局限：多孔隔膜的能量效率低和隔氣性差；質(zhì)子交換膜依賴昂貴的鉑族電催化劑；陰離子交換膜產(chǎn)物收集成本高；離子溶劑化膜則依賴于高濃度的氫氧化鉀電解液。

為了獲取“寶貴”的實驗耗材，整個實驗室西瓜吃到都快吐了。經(jīng)歷復(fù)雜而漫長研究發(fā)現(xiàn)，在氫氧根離子傳輸上，填充在西瓜皮細(xì)胞壁納米通道里的具有微孔結(jié)構(gòu)的果膠通過限域作用形成的連續(xù)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，起了關(guān)鍵的作用，而背后的機制有著如“穿墻術(shù)”一般的魔力。

2021年端午節(jié)，西湖大學(xué)劉清路和唐堂兩位博士加班做實驗，在校門口攤販那買了西瓜后想冷得快一點，就放到了速凍層。再想起來已幾天后了。解凍后，西瓜皮膜一碰就掉。但這卻讓唐堂瞬間有了一個神奇的想法。唐堂和劉清路討論說，這瓜皮不就是天然的膜嗎？這是孫立成院士團隊致力的研究方向之一——離子傳輸膜。

理想的堿性電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)體系中的離子傳輸膜要具備選擇透過性，就像一個“攔網(wǎng)”——讓電解液中的氫氧根離子（OH-）自由通行，卻攔住陰極電解液中的二氧化碳液體產(chǎn)物——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，從而降低分離成本。

亚搏下载客户端澎湃新聞（www.thepaper.cn）9月4日從西湖大學(xué)獲悉，該校未來產(chǎn)業(yè)研究中心、理學(xué)院孫立成團隊近日在Nature Communications上發(fā)表一項突破性研究成果。他們在西瓜皮膜的啟發(fā)下，提出了一種構(gòu)建新型離子傳輸膜（ITMs）的策略，在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）中展現(xiàn)出卓越的性能。

在孫立成的引薦下，劉清路和唐堂求教該校生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員吳建平和李小波。討論中，老師們懷疑也許不是細(xì)胞膜通道的作用，因為西瓜皮膜在堿性溶液下，細(xì)胞本身已經(jīng)被破壞。果然，通過熒光識別劑發(fā)現(xiàn)西瓜皮膜的細(xì)胞已經(jīng)死亡，搜索范圍進(jìn)一步縮小到細(xì)胞壁。

研究團隊進(jìn)一步通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，果膠中富含的帶有負(fù)電荷的羧酸根（- COO-）與帶負(fù)電荷的甲酸根離子，“同性相斥”，阻礙了甲酸根的遷移，實驗結(jié)果也證明了這一點。

研究團隊進(jìn)一步細(xì)分西瓜皮膜，發(fā)現(xiàn)皮下層表現(xiàn)最佳。優(yōu)秀到什么程度？在1mol/L的氫氧化鉀（KOH）中浸泡后的西瓜皮皮下層膜的室溫下的氫氧根離子的電導(dǎo)率要優(yōu)于1mol/L氫氧化鉀水溶液本身的離子電導(dǎo)率，也就是說，西瓜皮膜加速了氫氧根離子的傳輸，讓氫氧根離子跑得更快。

孫立成一直鼓勵團隊成員“師法自然”。團隊中一個重要的研究方向就是學(xué)習(xí)自然界的光合作用來指導(dǎo)人工催化劑的設(shè)計與開發(fā)。利用光能，可以把二氧化碳轉(zhuǎn)化為生命所需的能量物質(zhì)。那是否可以把空氣中的二氧化碳，在特定溶液和通電的條件下，轉(zhuǎn)化成人類需要的有機化合物?比如甲酸、乙酸、乙烯、乙醇等。這就是電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)，這其中，離子傳輸膜的作用至關(guān)重要。