冰冻西瓜竟获意外发现
研究人员正在剥离解冻后的西瓜皮膜。
■本报记者温才妃通讯员刘逸飞
“怎么又有一堆西瓜皮？”在西湖大学未来研究中心，保洁阿姨发现，人工光合作用与太阳能燃料中心实验室的垃圾桶里总是堆满了西瓜皮。究竟谁这么爱吃瓜？
正当保洁阿姨疑惑时，西湖大学理学院副研究员唐堂又抱来一个大西瓜，只是这个西瓜有点“怪异”——它经过冰箱速冻，坚硬似铁。
正是这个“铁憨憨”带给了唐堂科研灵感。他所在的中国科学院院士、西湖大学理学院讲席教授孙立成团队，将西瓜皮膜应用在电化学二氧化碳还原反应器件中，展现出了卓越性能。在其启发下，他们又提出一种构建新型离子传输膜的策略。相关研究成果日前发表于《自然-通讯》。
“瓜皮不就是天然的膜吗”
2021年端午节，西湖大学理学院助理研究员刘清路和唐堂要加班做实验。他们在校门口买了个西瓜，为了让西瓜凉得快一点，就放进了冰箱速冻层。结果实验一忙，想起来取西瓜已是几天后的事了。
解冻后的西瓜，皮膜一碰就掉了。唐堂一边嚼着冰碴儿，一边端详着自然脱落的西瓜皮膜。“这瓜皮不就是天然的膜吗？这是来自大自然的设计。”唐堂和刘清路将西瓜皮膜与孙立成团队的研究方向之一——离子传输膜联系起来。
孙立成一直鼓励团队成员“师法自然”。团队的一个重要研究方向是学习自然界的光合作用，指导人工催化剂的设计与开发。例如，能否把空气中的二氧化碳在特定溶液和通电的条件下，转化成人类需要的有机化合物——甲酸、乙酸、乙烯、乙醇等。
这就是电化学二氧化碳还原反应，其中离子传输膜的作用至关重要。离子传输膜好像一个精心设计的筛网，它在电化学二氧化碳还原反应中的理想作用是，让电解液中的氢氧根离子自由通行，同时阻挡阴极电解液中的甲酸根、乙酸根、乙醇等二氧化碳液体产物透过，从而降低分离成本。
“目前广泛使用的离子传输膜都存在局限性，如何做出二氧化碳还原的膜，一直是国内外研究团队头痛的问题。”刘清路说。
唐堂和刘清路灵机一动，把西瓜皮膜剥离下来，放进他们搭建的电化学二氧化碳还原反应测试装置中。神奇的是，西瓜皮膜居然真能工作，而且展现出不亚于商业化离子传输膜的性能。
“在做膜方面，还不如一个瓜”
“为什么西瓜皮会出现这种离子选择性？”刘清路和唐堂都很好奇。
在孙立成的引荐下，他们找到西湖大学生命科学学院特聘研究员吴建平和李小波。这两位老师分析：“也许不是细胞膜通道的作用，因为西瓜皮膜在碱性溶液下，细胞本身已经被破坏。”
于是，大家像福尔摩斯探案一样，排除一个个可能。果然，通过荧光识别剂发现，西瓜皮膜的细胞已经死亡，于是，他们将搜索范围进一步缩小，最终聚焦到细胞壁上。
有了最初线索，研究团队不断从细微处寻找蛛丝马迹。他们通过多种表征技术手段，最终锁定细胞壁的主要成分——纤维素、半纤维素和果胶。
其中，纤维素有规律地排列，形成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个三维纤维状通道。
“即便使用人类当前顶尖的芯片制造技术，也只能在5纳米以下的空间制造出逻辑电路。但对西瓜皮来说，这是它的‘基本操作’，‘生产图纸’就储存在DNA里。”唐堂赞叹道。
这的确与西瓜皮膜独特的生物学结构分不开。纤维素、半纤维素和果胶共同构成了一个复杂的纳米级通道网络。纤维素形成纳米通道，果胶则均匀填充在这些通道里，形成一种微孔结构，同时由于微孔限域作用形成了连续氢键网络，这些对氢氧根离子的传输起到关键作用。一方面，氢氧根离子通过连续的氢键网络和微孔通道加速，如同上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排斥，并与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，从而被拖住。这种结构使得西瓜皮膜在碱性溶液中，展现出优异的氢氧根离子传输性能，同时能够有效阻挡酸根离子通过。
“我们其实还尝试了常见的果蔬皮膜，比如西红柿、辣椒等，但效果都不好。我们还买来不同品种的西瓜进行实验，发现性能相当，最终选用了常见的麒麟西瓜。”刘清路回忆道。
那段时间，为了获取“宝贵”的实验耗材，整个实验室人员吃西瓜吃到都快吐了。后来，他们就去附近水果店讨要西瓜皮。“你们家里养鸡了吗？”店员很迷惑地看着他们，得知是做“高大上”的科学实验，还主动帮他们攒了不少西瓜皮。
“虽然我们是一群博士，但在做膜方面，真的还不如一个瓜。”唐堂幽默地说。
“西瓜皮计划”启动
“我们就把这个项目命名为‘西瓜皮计划’，可好？”孙立成笑着说，“我们要虚心向西瓜皮‘学习’，为未来仿生离子传输膜的制备提供指导。”
“西瓜皮计划就是利用西瓜皮进行仿生学习，指导人工高分子膜的设计和制备。”唐堂说，西瓜皮在极端环境中比较受限，还会出现降解的可能性，并不适合长期的实际应用。
“我们引入仿生技术，制作人工‘西瓜皮’——电解水阴离子交换膜，不仅能弥补天然材料的缺陷，还提高了材料的稳定性和适用性。”孙立说。
他举例称，在新能源领域，特别是在电解水制氢技术中，电解水阴离子交换膜发挥着至关重要的作用。尤其是在氢燃料电池汽车中，这种膜作为电解水过程中的关键组件，能够有效促进水分子分解，提高氢气和氧气的生成效率，从而为氢燃料电池提供高纯度氢气。
这种新材料还有望拓展至储能系统。目前，液流电池是储能领域的主流选择，而电解水阴离子交换膜的性能直接影响液流电池的可靠性、安全性和经济性。这一新型仿生膜能够为电网储能、可再生能源整合及远程地区供电等大规模、高效、低成本储能解决方案提供支持。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51139-6