加州大学欧文分校、以色列特拉维夫大学及合作机构的研究团队，研发出一种全新的膜结构，只需施加快速切换的低电压信号，就能驱动带电分子穿过膜。这种“基于棘轮效应的离子泵”没有任何机械运动部件，也不依赖化学反应。

这种装置为海水淡化、从海水中提取锂离子、饮用水重金属去除、电池材料回收，以及多种生物医学技术提供了新的技术路径。相关成果已发表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上。

新型棘轮离子泵的工作机制

在液体中精确控制带电分子的运动，是从工业水处理到生物细胞功能等众多过程的基础。以往多数工程化离子泵依赖高能耗的电化学过程，不仅效率有限，还往往需要复杂且昂贵的化学体系。

由加州大学欧文分校和特拉维夫大学牵头的团队提出了一种完全不同的思路：利用金属与液体电解质界面独特的电学和化学特性，构建“基于棘轮效应”的离子泵来驱动离子电流。

研究人员在一块带有纳米孔的绝缘膜两侧，分别沉积超薄金属层。通过在这两层金属之间快速调制电压，装置能够产生持续且具有方向性的离子流，这一现象在物理学中被称为“棘轮效应”。

联合第一作者、加州大学欧文分校化学教授 Shane Ardo 解释说：“棘轮是一种非平衡装置，它利用时间上受控的输入信号和空间上的不对称性，来驱动稳态的粒子流。”他指出，结构上的不对称性与金属-电解质界面在纳米尺度上的特殊性质相结合，构成了棘轮效应得以实现的关键条件。

去离子概念验证实验

研究团队证明，该装置产生的离子流可以对抗反向驱动力，这是任何实用离子泵必须具备的重要性能指标。作为应用潜力的验证，他们搭建了一个完全由电驱动的去离子系统，不含机械运动部件，也不发生电化学反应，却在极低电压下实现了约 50% 的盐分去除。

这种基于棘轮效应的离子泵在结构上类似电容器，但带有纳米级孔洞：薄金属电极层覆盖在绝缘膜两面，同时不堵塞孔道，使离子可以通过，并在此基础上施加快速切换的电场。

该机制的核心在于，两侧金属层与电解质界面之间的充放电过程存在不对称性。由于这些充放电过程不能完全相互抵消，膜两侧的溶液区域之间会产生一个电压差，这个电压差进一步驱动离子穿过膜。与类似系统不同的是，这一离子泵在电极接触处不需要发生电化学反应。

在水去离子演示中，研究人员将该装置与两层离子选择性膜组合，构成一个离子电路。由棘轮离子泵诱导的电压，将盐分从稀释池中“抽取”出来，实现去离子效果。

未来应用前景与潜在影响

虽然论文中主要以去离子实验作为概念验证，团队强调，他们更长远且更具挑战性的目标，是实现“超选择性离子分离”——也就是根据不同离子对电场响应的细微差异，在同电荷离子之间进行精细区分和分离。

联合第一作者、特拉维夫大学电气工程副教授 Gideon Segev 表示：“这种选择性分离能力可以应用在许多领域——更高效的饮用水净化、从海水中提取锂离子、多种生物医学设备，以及电池材料的回收等。”

他补充说：“从液体中去除痕量离子的能力，对处理重金属污染水具有潜在的颠覆性意义。例如，水中即便只有十亿分之几浓度的铅离子，也足以让饮用水不再安全。如果有一种简单技术，既能去除这些有害离子，又不带走人体所需的矿物质，将有望帮助全球数以百万计的人获得安全饮用水。”