7月15日，北京师范大学朱重钦教授和方维海院士课题组联合中科院理化技术研究所王健君研究员、薛涵研究员课题组、香港城市大学曾晓成教授课题组，在国际顶级期刊《Nature》上发表了有关纳米受限水/冰调控二维膜材料结构的最新研究成果。该研究以 “Graphene oxide-polydopamine membranes with controlled interlayer spacing” 为题，提出了一种基于纳米限域水/冰的“时序分离—组装—合成”策略，通过“低温组装控制层距、冻结聚合固定层距”的技术路径，实现了氧化石墨烯（GO）膜层间距在5.9–10.2 Å范围内的亚埃级连续可调（调控精度优于0.1 Å），且所得膜在水环境中长期保持高度稳定的结构特性。基于该策略制备的GO膜在水合离子分离中展现出卓越性能，能够高效分离水合直径差异不足0.1 Å的铷（Rb+）与钾（K+）离子。

理论计算为“时序分离—组装—合成”策略提供了系统的原子尺度机制支撑。研究通过多尺度理论计算，系统解析了纳米限域环境下分子组装、界面固定与离子输运过程中的关键相互作用。结果表明，GO层间限域环境能够选择性削弱多巴胺分子的水合稳定性，促进其在片层间优先扩散与组装；含氧官能团区域作为优先吸附和成核位点，诱导多巴胺定向富集并形成纳米支撑结构，而富碳区域则保留为高效输水通道。理论分析进一步表明，多巴胺自聚合及其与含氧位点的界面成键均具有较高能垒，使得物理组装先于化学固定发生，为“低温组装控制层距、冻结聚合固定层距”的时序分离策略提供了热力学依据。同时，离子输运模拟揭示了金属离子穿越亚埃级通道时的部分去水合行为，从原子尺度解释了复合膜对水合直径差异不足0.1 Å的Rb+/K+等离子实现精准筛分的底层机制。整体而言，理论计算贯通了“限域微环境—分子组装—界面固定—离子筛分”全过程，形成了“实验表征—微观机理—应用性能”的完整闭环

图2 GO膜制备流程及组装、反应时标分离理论机制

图3 限域组装分子机制及离子筛分机制

中科院理化所卢友华/谢子安（实验）、北京师范大学魏莱阳（理论计算）和美国劳伦斯伯克利国家实验室武雪菲（实验）是文章的共同第一作者，北京师范大学朱重钦教授与中科院理化所的王健君研究员、薛涵研究员以及香港城市大学的曾晓成教授为论文的共同通讯作者。合作者还有北京师范大学方维海院士、浙江大学徐志康教授、中国科学院上海高等研究院边风刚研究员、上海大学石国生研究员、中科院化学所刘杰研究员等。研究获国家自然科学基金重大研究计划项目、国家重点研发计划项目、北京市自然科学基金等项目资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10765-4