“简直一个铁憨憨。”

唐堂博士抱着一个西瓜，这瓜耀眼着白色冷光，经过雪柜速冻的浸礼，冰冷坚毅似铁。群众齐围了上来，东谈主群中有了这句双关的点评。

解冻后，更难受。西瓜皮膜一碰就掉了。但唐堂一个博士，他转眼有了一个神奇的方针。

所谓东谈主算不如天算，当西瓜“投身科研”，秒杀世间机灵的脑瓜。自后，这瓜初始教东谈主作念事——怎样经营离子传输膜。

近日，西湖大学将来产业相关中心、理学院孙立成团队在NatureCommunications上发表了一项冲破性相关效果。他们在西瓜皮膜的启发下，淡薄了一种构建新式离子传输膜（ITMs）的战略，在电化学二氧化碳收复反馈（CO2RR）中展现出非凡的性能。

西瓜皮膜，是西瓜皮最外侧那层绿色的膜，在冷冻剥离后唯一省略75微米，差未几一根头发丝的直径，但却展现迥殊妙的“经营想维”。而这项相关，即是从阿谁“铁憨憨”初始的。

孙立成团队正在剥离解冻后的西瓜皮膜

2021年端午节，刘清路和唐堂加班作念施行。其时施行室还在云栖校区，他们在校门口的摊贩那买了西瓜，想着让西瓜冷得快极少，就放到了速冻层。驱散施行一忙，想起来已是几天后了，于是有了开首那一幕。

唐堂一边嚼着冰渣渣，一边打量着自然零碎的西瓜皮膜。频繁冻生果的一又友一定知谈，解冻后的果皮很容易剥落。唐堂和刘清路参议说，这瓜皮不即是自然的膜吗？这是来平静自然的经营，亦然孙立成院士团队戮力的相关处所之一—

离子传输膜。

西湖大学孙立成素养一直以来饱读动团队成员“借鉴自然”。举例，团队中一个紧迫的相关处所即是学习自然界的光配合用来疏导东谈主工催化剂的经营与拓荒。你看，专揽光能，不错把二氧化碳回荡为生命所需的能量物资。那咱们是否不错把空气中的二氧化碳，在特定溶液和通电的条款下，回荡成东谈主类需要的有机化合物?比如甲酸、乙酸、乙烯、酒精等。

这即是电化学二氧化碳收复反馈，这其中，离子传输膜的作用至关紧迫。

离子传输膜是电化学二氧化碳收复反馈、电解水和燃料电板等可再无邪力退换与存储系统的时弊部件，其性能径直影响到动力退换遵循和家具网罗资本。现时平淡使用的离子传输膜分为四类，但齐存在诸多局限——

多孔隔阂的能量遵循低和隔气性差；

质子交换膜依赖奋斗的铂族电催化剂；

阴离子交换膜家具网罗资本高；

离子溶剂化膜则依赖于高浓度的氢氧化钾电解液。

刘清路博士，当今是西湖大学助理相关员

此时，刘清路博士搭建的电化学二氧化碳收复反馈测试安装派上了用场。奇想天开的唐堂和刘清路，把西瓜皮膜剥离下来，放入电化学二氧化碳收复反馈测试安装。

在施行室，这些平日一点不苟的博士们偶尔也会“玩”心大起，对活命中的不测，保执着意思心。

神奇的是，西瓜皮膜果然真的能职责！何况展现出不亚于贸易化离子交换膜的性能！

这引起了团队的兴味，并在第一时候向孙立成通相知流。孙立成很强项地饱读动他们谦敬向西瓜皮“学习”，为将来仿生离子传输膜的制备提供疏导。他亲身将该口头定名为“西瓜皮霸术”。

解冻中的西瓜皮

这昭着是一个跨学科的问题。

梦想的碱性电化学二氧化碳收复反馈体系中的离子传输膜要具备剿袭透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子（OH-）解放通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体家具——举例甲酸根、乙酸根、酒精等，从而镌汰分离资本。

这看似有点矛盾，但“通过初试”的西瓜皮好像具备这种神奇的智力。

西瓜皮膜默示图，主要由三层组成。Cuticle是最外侧的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮下组织层

为什么西瓜皮会出现这种离子剿袭性？着手需要从生物学上对西瓜皮有有余的了解。

在孙立成的引荐下，刘清路和唐堂很快找到生命科学学院特聘相关员吴建情切李小波，谦敬辅导。李小波永恒从事植物学和微生物学相关。而吴建平主要从事通谈结构相关，2021年凯旋揭示受精流程时弊离子通谈CatSper的高分辨结构，处分了离子通谈限制和生殖医学限制一轻佻点难题。

参议中，淳厚们怀疑也许不是细胞膜通谈的作用，因为西瓜皮膜在碱性溶液下，细胞本人也曾被破裂。果然，通过荧光识别剂发现西瓜皮膜的细胞也曾归天，搜索的界限进一步放松，来到了细胞壁。

在西湖大学张鑫素养的引荐下，团队成员又与在好意思国宾夕法尼亚州立大学的顾颖博士进行了交流，了解到细胞壁的结构和成份的复杂性。

如同窥伺，有了领先陈迹，相关团队束缚地从微弱处寻找蛛丝马迹。通过多种表征本事妙技，相关团队锁定了细胞壁的主要因素——包括纤维素、半纤维素和果胶。

其中纤维素有端正地摆设，形成直径为2到5纳米的三维通谈，而果胶均匀填充了这个有端正摆设的三维纤维状通谈。

重重叠叠的细胞壁在电镜下缓慢放大，最终呈现出纤维状通谈

现时，即便东谈主类最顶尖的芯片制造本事，也刚刚能够在5纳米以下的空间里，制造出逻辑电路。但，对西瓜皮来说，这是它的“基本操作”，“坐褥图纸”就储存在DNA里。

唐堂幽默地说，自然他们是一群博士，但在作念膜方面，还不如一个瓜。

相关团队进一步细分西瓜皮膜，发现皮基层发挥最好。优秀到什么进程？在1mol/L的氢氧化钾（KOH）中浸泡后的西瓜皮皮基层膜的室温下的氢氧根离子的电导率要优于1mol/L氢氧化钾水溶液本人的离子电导率，也即是说，西瓜皮膜加快了氢氧根离子的传输，让氢氧根离子跑得更快。

接下来的问题是，怎样学习并复制“轨范生”的智力？

靠了解西瓜皮膜的微弱物理结构昭着还不够，需要接头其更深层的机理。为什么这狼籍有致的邃密通谈，只让氢氧根离子通过，而拆除了酸根离子？

比拟发现征象，机理的探索愈加勤劳。

唐堂一个博士，也需要向西瓜皮学习

刘清路铭刻，阿谁夏天，为了赢得“可贵”的施行耗材，统统施行室西瓜吃到齐快吐了。自后，他们就去驾驭的生果店，讨要果切剩下来的西瓜皮。这让伙计尽头困惑，问他们：

“你们家里是养鸡了吗？”

一来二去，生果伙计们才知谈，本来西瓜皮也能成为“高峻上”的施行材料，情切的伙计就主动帮施行室留着西瓜皮。

当今，跳过复杂而漫长的相关流程，咱们先简便来说下驱散。

相关团队发现，本来在氢氧根离子传输上，填充在西瓜皮细胞壁纳米通谈里的具有微孔结构的果胶通过限域作用形成的连气儿氢键汇聚，起了时弊的作用，而背后的机制有着如“穿墙术”一般的魅力。

水分子（H₂0）由氢氧两种元素组成，一个氧原子和两个氢原子形成V字形结构。自然水分子在举座上是电中性的，但氧原子的电负性较大，带有部分正电荷的氢原子能与另一个水分子中氧原子的孤对电子相互作用“趋承”在通盘，这种作使劲被称为氢键。

而细胞壁中的果胶不错通过其名义的羟基官能团形成纠合水，从而促进水相互连系，在限域的空间内形成连气儿的氢键汇聚。

氢键汇聚化学默示图，氢氧根离子传递的流程，有点像物理上的“牛顿摆”

咱们用一个游戏来譬如，一个水分子，就好像一个父亲一手牵着一个孩子，父亲是氧原子，两个孩子是氢原子。

当今，假想一下，有许多水分子，也即是有许多对父亲和孩子。而孩子很奸巧，总可爱去收拢相近另一个父亲的腿，这即是氢键作用。依此类推，一组组大东谈主和孩子，就组成了一个队列。这即是一个长程有序的氢键汇聚。

游戏不息，此时一个氢氧根离子来到队列前想要加入。氢氧根离子相等于是一个父亲牵着一个孩子。此时的他，需要从队列中“抢”来一个孩子，也变成了水分子加入队列，此队列中就有一个父亲少了个孩子，于是他也从近邻“抢”了一个。

这个抢东谈主游戏就在队列里传递，一直传到了队列的另一头，驱散即是，终末有一个父亲丢掉一个孩子，他变成了氢氧根离子，被排开在队列以外。

用更专科极少的话语来表述，在这个有序的氢键汇聚里，氢质子在内部传递，驱散形成了氢氧根离子“穿过”了这个汇聚。

自然，新产生的氢氧根离子，其实根柢不是刚插足氢键汇聚时阿谁。但从驱散上看，氢氧根离子就这么高效地传递着。

但对于酸根离子，氢键汇聚就没那么“客气”了，因为酸根离子无法通过氢键汇聚传递。

相关团队进一步通过模拟臆测发现，果胶中富含的带有负电荷的羧酸根（-COO-）与带负电荷的甲酸根离子，“同性相斥”，拆开了甲酸根的移动，施行驱散也讲明了这极少。

谜底逐步表示：一方面，氢氧根离子通过连气儿的氢键汇聚和微孔通谈加快，如同上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根拆除，并与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，它们被拖住了。

唐堂博士在施行室，当今是西湖大学副相关员

至此，“轨范生”西瓜皮膜的机理终于基本探明。它展现出来的精妙机理，正在疏导施行室进行全新的离子传输膜经营，制备了分歧用于电解水以及电化学二氧化碳收复反馈的阴离子交换膜，并展现出超高性能。现时这些后续研发正在鞭策阶段。

但靠近西瓜皮膜内狼籍有致的纳米级通谈，以及细胞壁中生物资的复杂结构和组成，相关团队秉执着对大自然的敬畏，依然不敢说也曾全然了解西瓜皮膜的机制。

孙立成素养也频繁在施行室说，借鉴自然，大自然总有咱们出东谈主意象的智力。

CAP合影

左一为中心主任、中国科学院院士孙立成素养

致谢

感谢西湖大学将来产业相关中心、中国国度要点研发霸术、国度自然科学基金对本相关的资助。感谢西湖大学分子科学全球施行平台、物理全球施行平台以及西湖大学生物医学施行本事中心协助的数据测试与分析。感谢西湖大学博士生崔鑫提供的阳极催化剂的制备时弊。感谢李小波、吴建平、张鑫和顾颖的疏导与参议。感谢湖北省核固体物理要点施行室，武汉大学物理与本事学院提供的PALS测试本事接济。

对于CAP

西湖大学东谈主工光配合用与太阳能燃料中心（CAP）为西湖大学校级相关中心，诞生于2020年3月，由中国科学院院士、东谈主工光配合用限制群众、西湖大学理学院化学讲席素养孙立成博士组建，主要戮力于太阳能燃料与太阳能电板科学前沿限制时弊科常识题的基础相关和瓶颈应用本事的冲破。

中心的相关处所包括高效见地水制氢催化剂的经营以实时弊器件的集成和应用、光/电驱动CO2收复制备清洁燃料、光/电驱动N2收复合成氨、专揽水看成氧源和氢源光/电驱动有机底物氧化与收复制备密致化学品、新式太阳能电板与有关催化剂/电极的耦合时弊本事研发、新式捕光半导体材料及光阳极/光阴极的拓荒、自然光配合用释氧酶水氧化机理揭示、材料智能经营等，并致力于从分子、材料等多个措施上优化催化剂性能、趋承复杂的固-气-液界面征象、调控电荷分离与传输、经营拓荒新式材料和催化体系缚尾高效太阳能回荡和可再生绿色燃料及高端化学品的清洁制备。

在中心主任孙立成素养的率领下适度2024年8月，中心由5位PI，1位拜访素养，1位副相关员，14位助理相关员，14位博士后，数十位科研/行政东谈主员及博士生组成。现时下设孙立成院士牵头的太阳能燃料与太阳能电板施行室，段乐乐素养牵头的名义配位化学与动力催化施行室，张彪彪博士牵头的分子催化与分子材料施行室，王涛博士牵头的表面催化与材料智能经营施行室和杨汶醒博士牵头的光谱与催化机制施行室。

END

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筹办丨俞熙娜

影相丨朱丹阳

剪辑丨沈是

校对丨徐珊

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