他们吃西瓜吃到“吐”

    尽管已经过去了3年，但西湖大学理学院副研究员唐堂至今仍忘不了那年炎热的天气以及吃西瓜吃到“吐”的经历。

    近日，唐堂所在的西湖大学孙立成院士团队受植物中果胶通道结构的启发，在学术期刊《能源与环境科学》上发表了一项重要研究成果——基于空间构型调控方法制备高性能阴离子交换膜，这种方法进一步提高了阴离子交换膜的孔结构稳定性、离子导电性和机械强度，在工业应用中颇有前景。

    这一重要研究，正是源于3年前端午节的一个西瓜。此前，孙立成团队中，唐堂和西湖大学理学院助理研究员刘清路等人，便已受植物启发，在离子交换膜方面发表了很多科研成果，并申请了多个专利。

    3年前的端午节，西湖大学云栖校区门口已摆出了西瓜摊。当时还是西湖大学博士后的唐堂买了一个西瓜，为了快点吃上冰镇西瓜，便直接放在冰箱的冷冻层。但是，唐堂做实验一忙起来就没有停歇的时间，西瓜被“冷落”了几天。

    想起来的时候，西瓜已经被冻成“冰球”，想吃就需要先解冻。在解冻过程中，西瓜表皮十分轻易地被剥落了下来，这引起了唐堂等团队成员的兴趣。

    他们发现，解冻时，西瓜皮膜很容易剥落，而且可以大片取下。经过测试，剥落的西瓜皮膜力学性能也很好，“不是很容易被撕破”。考虑到西瓜含水量高，有可能是一个不错的离子传输膜，他们便使用西瓜皮膜替换人工生产的膜进行测试。测试发现，西瓜皮膜竟然能工作，且与一种人工膜的性能相差无几。

    把二氧化碳还原成甲醇、乙酸、乙醇等高附加值产品，其核心部件便包含离子传输膜。这种膜的厚度一般在20-100微米之间，需要兼顾传输离子和透水的性能。找到一个合适且高效的膜非常重要，其性能直接影响到能源转换效率和产物收集成本，而西瓜皮膜就有成为这种核心部件的潜力。

    有了这个测试结果，他们连忙向中国科学院院士、西湖大学教授孙立成汇报。孙立成认为这个发现很有创意，便鼓励研究团队向西瓜皮“学习”，并将该项目命名为“西瓜皮计划”。

    随后，刘清路测试了不同表皮的性能。她首先尝试了西红柿的表皮，这种表皮很容易卷曲，而且稳定性不够，很难维持离子传输。研究团队也使用了青辣椒的表皮，青辣椒表皮的最外侧有一层白色的膜，这层白色膜可以阻碍水分流失，但也阻碍了离子传输。在实际测试中，西红柿和青辣椒的表皮效果均不佳。

    研究团队还使用多种植物表皮进行研究，最后发现西瓜皮最为合适。

    理想的碱性电化学二氧化碳还原反应体系中的离子传输膜，要具备选择透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子自由通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体产物——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，从而降低分离成本。而西瓜皮膜恰好具备这种神奇的能力。

    西瓜皮膜为何会出现这种离子选择性？唐堂和刘清路等研究人员查阅资料，并找到生命科学学院特聘研究员吴建平和李小波等专家学者，虚心求教。

    在不断的研究、讨论中，研究团队发现这种优秀的离子传输特性，源自西瓜皮膜的细胞壁。他们通过多种表征技术手段，锁定了西瓜皮膜细胞壁的主要成分，包括纤维素、半纤维素和果胶。其中纤维素有规律地排列，形成直径为2-5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个有规律排列的三维纤维状通道。

    就是这个特殊的结构，让西瓜皮膜具有极其优秀的离子传输性能。这种性能优秀到什么程度？研究发现，在1摩尔每升的氢氧化钾中浸泡后的西瓜皮，其皮下层膜室温下的氢氧根离子的电导率，要优于1摩尔每升氢氧化钾水溶液本身的离子电导率，也就是说，西瓜皮膜不但起到分离作用，还能加速氢氧根离子的传输。

    此外，研究还发现西瓜皮膜最外面的一部分是角质层，角质层会阻碍离子传输。研究团队通过化学手段将部分角质层移除。角质层部分移除后的西瓜皮膜，作为离子传输膜，其性能几乎已与商业中使用的离子传输膜相当。

    研究过程中，为了获取珍贵的实验材料，整个研究团队吃西瓜吃到快“吐”了。后来，他们去附近的水果店，讨要果切剩下的西瓜皮。店员们非常疑惑：“你们家里是养鸡了吗？”

    一来二去，店员才明白，西瓜皮竟然成为珍贵的实验材料。于是，热心的店员就主动帮实验室留着西瓜皮。

    实验中还有很多困难，但是他们一一克服。

    最终，西湖大学未来产业研究中心、理学院孙立成团队在国际学术期刊《自然·通讯》上发表了一项突破性研究成果。他们将西瓜皮膜应用在电化学二氧化碳还原反应中，展现出了卓越的性能，并在此启发下提出了一种构建新型离子传输膜的策略。

    至此，“西瓜皮计划”取得了阶段性的成果，但面对西瓜皮膜内错综复杂的纳米级通道，以及细胞壁中生物质的复杂结构和组成，研究团队秉持着对大自然的敬畏，依然不敢说已经全然了解西瓜皮膜的机制。

    随着对于西瓜皮的深入研究，孙立成团队又在学术期刊《能源与环境科学》上发表了一项基于空间构型调控方法制备高性能阴离子交换膜的研究成果，其他西瓜皮相关研究成果也正在准备投稿。

    孙立成总是向团队的研究人员传递“师法自然”的观念。他多次提到，自然界中有很多值得研究的东西。

    “孙立成老师做事情十分严谨认真。”刘清路说，孙立成对于科研的要求非常高，直到现在依然活跃在科研的一线指导学生实验，并对实验细节中隐藏的要点和新发现非常敏锐。

    在对西瓜皮的工作有一定认识后，孙立成也在思考可以用什么植物的表皮进行实验。一天早上，他看到小区里有一片茂密的芭蕉叶，他想知道这片叶子是否会有离子传输功能，便跑到树下去看。但小区里不让摘，他就去河边找，最后终于找到合适的叶子，并带回实验室。

    孙立成今年60多岁，每天8点多准时到实验室，经常晚上10点半以后才离开。在唐堂印象里，孙立成几乎每天都是这样度过的，“孙老师的工作时长我们很多人都自愧不如”。

    保持着对大自然的好奇和敬畏，孙立成团队已经取得了多项成果。目前，西瓜皮膜的多个相关专利已经申请成功。

    孙立成常说：“大自然是我们最好的老师。”

中青报·中青网见习记者 崔文瀚 记者 蒋雨彤 来源：中国青年报