受到鲍鱼壳坚固的层状结构启发，中科院理化所、中国科学院大学闻利平教授和北京航空航天大学张千帆副教授课题组将二维纳米片和纳米纤维交联在一起，显著提高了机械强度和稳定性，薄膜拉伸强度和韧性分别高达277 MPa和9.84 MJ·m-3。他们又利用薄膜中带有相反电荷的纳米纤维和不对称的纳米通道结构，最终构造了一种“电气化”的双层鲍鱼壳薄膜，显著提高了锂离子的选择性，对Li+/Na+和Li+/K+选择性分别为2.52和4.78，这一结果是已有二维材料薄膜分离性能的2倍。这种仿生薄膜在纳米流体、膜分离和反向电渗析领域有潜在应用。

　　双层鲍鱼壳结构的薄膜

　　研究者用显微镜观察鲍鱼壳后发现，它是由片状文石（CaCO3）堆叠而成，片层之间由少量有机质粘结在一起，就像是砖头水泥组成的墙体，所以非常坚固。

　　受此启发，研究者就想用二维材料模仿片状文石，纳米有机纤维作为有机质粘结剂，以此来重构鲍鱼壳，制备一种即坚固又耐用的分离膜。研究者选择了两种二维材料：Mxene（Ti3C2Tx）和石墨烯（GO）作为“砖头”，选择了两种有机纤维：纳米纤维蚕丝（SNF）和低分子量的聚酰亚胺纤维（o-PEI，分子量6000 g/mol）作为“粘结剂”。

　　研究者将Ti3C2Tx与5 wt％的SNF分散到去离子水中，将GO与o-PEI分散到无水乙醇中，通过真空辅助过滤的方式，首先在200nm孔径的聚碳酸酯上过滤Ti3C2Tx水溶液，随后过滤GO溶液，得到滤膜后在空气中干燥10分钟，将其从聚碳酸酯上剥离下来，在80℃的烤箱中热退火24小时后最终得到了双层结构的薄膜。由于Mxene层是用SNF粘结的，所以其带负电荷（n-Mxene），GO层是用o-PEI粘结的，带有正电荷（p-GO），这相当于做了一个“电气化”的双层鲍鱼壳结构的薄膜。

　　像鲍鱼壳一样坚固

　　图1.（A）鲍鱼壳照片；（B）薄膜的SEM图像；（C）薄膜的WAXS谱图；（D）薄膜的照片；（E）薄膜的拉伸应力-应变曲线；（F）材料极限拉伸强度和韧性对比。

　　研究者对制备的薄膜进行了表征，发现双层结构之间结合非常紧密，层内由于纤维与Mxene和GO之间强烈的氢键相互作用（即-N···H-O-和-O···-H-O-），将二维材料紧紧交联在了一起，完美复刻了鲍鱼壳结构。利用WAXS，研究者发现纳米片呈水平排列，薄膜韧性非常好，弯曲之后也不会出现裂纹。

　　这种双层鲍鱼壳薄膜的拉伸强度和韧性高达277 MPa和9.84 MJ·m-3，远高于天然鲍鱼壳的130 MPa和1.9 MJ·m-3，拉伸强度更是不加入纤维粘结的二维材料薄膜的2.7~5.5倍。

　　稳定的离子门控效应

　　图2. 薄膜的离子门控效应。

　　研究者将薄膜置于Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+的混合溶液中，研究了不同离子在薄膜中的传输性能。发现当施加的电压小于10mV时，各种离子都无法通过薄膜，超过10mV后薄膜可以传输离子，表现出很好的门控特性。当溶液浓度为10-1M时，各种离子通过薄膜的传输性能差别显著（以门控指数表示）：γLi（108.33）>>γNa（58.47）>γK（36.81）≈γMg（37.22）≈γCa（36.71），在其它溶液浓度下除了门控指数有所不同外，顺序不会变化，表现出很好的稳定性。

　　图3. 基于密度泛函理论计算离子传输性能。

　　研究者采用密度泛函理论（DFT）和从头计算法（ab initio）对薄膜中离子的传输行为进行了研究。对于价态不同的离子，其水合层的电荷密度不同，与Mxene纳米片的结合能力就不同，单价离子的结合能力小于二价离子，而且Li+的尺寸又小，所以在薄膜中不同离子的传输速率不同，存在如下顺序：Li+>Na+>K+≈Mg2+≈Ca2+。由于薄膜中p-GO的静电排斥作用，进一步强化了Li+的迁移速率。

　　锂离子选择性大幅提高

　　图4. 不同离子在薄膜中的选择性。

　　研究者发现薄膜对锂离子有很好的选择性：Li+/Na+=2.52±0.53，Li+/K+＝4.78±1.01，Li+/Mg2+＝8.07±1.70，Li+/Ca2+=8.36±1.76，而文献中报道的Li+/Na+和Li+/K+均低于2。这是由于Li+的离子半径为0.6 Å，是三种一价离子中最小的，所以其迁移比和迁移率都最高，分别为20.79和4.07±0.74×10-8 m2·V-1·S-1，至少是其它离子的2倍。

　　在0.1 M的混合溶液中，研究者进行了24小时的分离试验，薄膜表现出优异的分离性能：在渗透溶液中Li+的浓度达到1.72 μg·g-1（ppm），渗透率高达1.02 mol·m-2·h-1，比Mg2+和Ca2+的渗透率高2个数量级。

　　中科院理化所、中国科学院大学闻利平教授和北京航空航天大学张千帆副教授课题组以Mxene和GO为纳米片，以SNF和o-PEI为粘结纤维制备了一种高强度双层离子分离膜。砖头水泥结构的薄膜表现出优秀的力学强度，拉伸强度和韧性分别高达277 MPa和9.84 MJ·m-3，是不加入纤维粘结二维材料薄膜的2.7~5.5倍。利用独特的纳米孔结构和正负电荷功能化的二维材料，这种薄膜表现出优异的锂离子选择性：对Na+和K+的选择性分别达到了2.52±0.53和4.78±1.01，是文献结果的2倍。24小时分离试验表明，这种薄膜具有良好的稳定性，其锂离子渗透率高达1.02 mol·m-2·h-1，比Mg2+和Ca2+的渗透率高2个数量级。