膜，在我們的生活中隨處可見。手機膜、保鮮膜、美容面膜、汽車玻璃膜，隨隨便便我們都能說出好多種膜。
其實，還有這樣一種膜，因為具有神奇的能力，它被譽為是世界上最先進的精密篩分材料。它的生產製備與核技術密不可分，並且也已經融入了我們的日常生活，在食品飲料、醫療製藥、化工、電子、環保等領域都有廣泛的應用。
這位神秘的膜界大咖就是——核孔膜，全稱核徑跡蝕刻微孔膜。它還有好幾個名號，「核微孔膜」、「重離子微孔膜」，說的也都是核孔膜本尊。
我們先從核孔膜的研究歷史和製備說起。
1. 核孔膜是怎麼造出來的？
核孔膜的歷史可以追溯到上個世紀60年代，是在固體核徑跡技術的基礎上發展起來的，最早在美國通用電氣（GE）研究室製備成功。Fleischer和Price等人利用放射性核素產生的裂變碎片轟擊薄膜和礦物質材料，發現可以製備出特殊的微孔。
圖 核孔膜最早在美國通用電氣研究室製備成功
這種新型的微孔膜，孔的形狀規則、孔徑均勻，和其它膜在生產方法和微孔結構上完全不同。
研究者們預測，這種性能奇特的薄膜將在過濾、物質分離等方面獲得廣泛的應用。70年代初，美國率先實現了核孔膜的商品化生產，主要用於一些精密的分析檢測行業。
圖 典型的核孔膜電子顯微鏡圖像
早期，核孔膜是在核反應堆上利用鈾等重核的裂變碎片轟擊膜材而製成的。但是，這種方法的效率和產能都比較低，所以產業化很難推廣。而且，由於裂變碎片的質量和能量都不是單一的，射程有限，核孔膜的質量也不夠完美。
隨著加速器技術的興起，科學家們想出了一個安全、高效的製備核孔膜的方法——利用重離子加速器輻照形成離子徑跡。
加速器將重離子加速到非常高的能量，去轟擊一定厚度的薄膜。離子輻照後在薄膜中形成的徑跡是非常微小的，很難觀察，被稱作為「潛徑跡」。經過化學蝕刻後，潛徑跡處形成孔道，最終形成各種各樣的核孔膜。
目前，美國、德國、日本、瑞士、俄羅斯和中國等國家都利用現有的重離子加速器裝置生產核孔膜。
圖：中科院近代物理研究所用於核孔膜輻照的分離扇回旋加速器（SSC）
用加速器來生產核孔膜有這麼多的優點，如果非要說一個缺點，那就是費錢！早期，受限於加速器裝置運行的高昂成本，核孔膜的價格一直很高，一平米需要幾百元甚至上千元。
因此，如何降低核孔膜的成本，讓更多的普通人受益，一直都是研究者們的重要課題。
中科院近代物理研究所擁有亞洲能量最高的蘭州重離子加速器裝置，有專門用於高性能核孔膜輻照的終端及蝕刻線，具有批量生產核孔膜的獨特條件。
利用加速器能量高的優勢，蘭州重離子加速器在真空外可一次性同時輻照6層膜材料，1小時能生產1萬平米，極大地降低了核孔膜的成本。
圖：
核孔膜輻照終端
圖：經過高能重離子輻照的薄膜（左）、核孔膜輻照卷膜機（右）
2. 真的有那麼神奇嗎？
真的！核孔膜區別於普通膜的最大特點，就是它的孔徑均一、孔形規則，每一個孔的尺寸與形狀幾乎完全相同。核孔膜是所有膜材中唯一具備篩分機理的濾膜，因此被譽為是世界上最先進的精密篩分材料。
圖 核孔膜與常規膜對比
在肉眼可見的尺度，想做到孔徑一樣，並不難。然而在微觀尺度下，普通膜就捉襟見肘了。核孔膜能輕鬆做到，就是因為它的每個微孔都是由種類和能量相同的離子輻照和後期蝕刻形成。更厲害的是，這些納米級、微米級的小孔，其孔徑和孔密度還能被精確調控！
通過控制高能重離子的輻照和蝕刻條件，就能定製我們需要的核孔膜。孔徑可以在亞納米到幾十微米的範圍內任意選擇，孔的密度可以做到從1平方釐米1個小孔到上億個小孔。
這樣精密的加工工藝，即使工業雷射也無法做到，更別說機械方法或者化學工藝了。正是這些精密的小孔，使核孔膜具有了獨一無二的特性。
核孔膜的材料選擇範圍也非常廣泛，塑料、玻璃、雲母等都可以作為原材料，還可以選擇耐高溫和酸鹼的材料，常見的材料有聚酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚醯亞胺（PI）和雲母等。
圖 核孔膜的材料選擇範圍廣泛
有趣的是，除了常見的圓柱狀孔道以外，研究者們還可根據不同需求，通過對離子徑跡進行後處理調控，形成不同的孔道形狀，比如漏鬥形、酒杯形、鉛筆形等特殊的孔道。
圖：
不同孔道形狀的核孔膜
此外，與普通膜相比，核孔膜的表面平整光滑，對水、病毒、細胞、生物大分子（聚合物）無吸附，不會吸收溶解於濾液中的物質。而且核孔膜本身沒有粒子、纖維等脫落，因此不會像其他濾紙一樣二次汙染濾液。核孔膜還具有良好的化學穩定性、熱穩定性，機械強度高，韌性好，可摺疊，可反覆熱壓處理。
圖：
核孔膜過濾黃河水示意圖
3. 核孔膜神器，就在你身邊
核孔膜的特性這麼優異，我們究竟能用它來做些什麼呢？一起來看看幾種已經推向市場和正在研發中的核孔膜神器吧！
百變過濾器
作為一種理想濾膜，核孔膜在醫學製藥、細胞檢測、空氣淨化、食品飲料等多個領域都有廣泛應用，說它是百變過濾器，一點兒也不誇張。
圖 核孔膜精密輸液器生產
傳統的輸液器過濾膜由纖維膜盤結壓制而成，非常容易脫落異物，造成輸液汙染；而且在輸液過程中，纖維膜會吸附藥液裡的藥劑成分，從而造成療效損失。
這些問題都難不倒核孔膜。核孔膜還可以顯著提升對微粒的截留率，有效預防因微粒引起的過敏反應、靜脈炎、熱原反應、血管栓塞、肉芽腫等，保證患者輸液安全。難怪現在美國、日本、韓國以及歐盟等國的國家藥典上規定，大輸液器上的過濾膜都是各種規格孔徑的核孔膜。
圖：
TCT 癌細胞檢測膜片及顯微鏡照片
TCT 細胞檢測是目前國際領先、使用最廣泛的一種宮頸防癌細胞學檢查技術。檢測採用核孔膜進行高精密度過濾，婦科過濾膜筒上有20萬個7.5微米的小孔，能採集所有的病變信息。
圖：核孔膜材質的開水過濾器、茶水過濾器
在日常生活中，核孔膜還應用於酒類、飲用水、茶飲料等的澄清和除菌過濾。核孔膜能夠有效地去除啤酒、葡萄酒以及各種飲料中的酵母、細菌、殘渣等，改善澄清度，達到冷消毒的效果，延長其貯存期，並且降低生產過程中的能耗。
圖：核孔膜被應用於防霾紗窗、防霾口罩
過濾能力這麼優秀，空氣淨化當然也少不了核孔膜。
防偽標識
除了用來過濾，核孔膜還有很多別的本領，核徑跡防偽就是其中的一種。
目前，世界上沒有任何一種技術能製作出類似的防偽圖案。具有這樣的技術獨佔性，用核孔膜來防偽實在是再合適不過了！如果你用高倍放大鏡仔細觀察防偽標識的圖案，你會發現這些圖案是由很多小點——也就是微米級的微孔組成的。
利用微孔道的透氣、透水性，我們可以通過滴水消失、筆塗上色等方法來進行防偽識別。微孔道裡充滿液體後，膜的光學特性也隨之發生了變化。如果滴一滴水在防偽圖案上，圖案會馬上變淺、甚至消失，那麼恭喜你，買到的就是正品！
鋰電池隔膜
未來，核孔膜還有望被應用在鋰離子電池中。
現代人的生活已經離不開鋰離子電池。智慧型手機等3C設備、新能源汽車、人工智慧設備等都需要它，而且應用領域還在不斷擴大。作為鋰離子電池的一個關鍵組件——電池隔膜，其品質直接影響電池容量、充放電循環壽命、阻燃止爆安全性能等指標，對於電池的性能和安全起著至關重要的作用。
但是，目前國際上先進的隔膜製備工藝和技術被國外所壟斷，使得高端電池隔膜仍然依賴進口。研究者們正在利用核孔膜的技術優勢，採取完全不同於傳統隔膜製備方法的技術路線，研製材質更加多樣、孔徑更加均勻、安全性更高的新型鋰離子電池隔膜。
圖： 研究者們正在利用核孔膜的技術優勢，研製新型鋰離子電池隔膜 | 製圖：吳書航
這張薄薄的膜，真是能力無窮。限於篇幅，以上我們只介紹了核孔膜應用的一小部分，在超流體研究、化學分離、同位素分離、輻射劑量學、生物工程、醫學研究、質譜技術、絕熱技術、淨化技術、真空技術、電子工業、製藥工業和食品工業等多個領域，核孔膜都有大顯身手的機會。
隨著科學技術的發展，這位膜界大咖的應用必將更加廣泛。一起期待它被更多人所知、被更多人所用的明天吧！
撰寫：劉芳
感謝劉傑、莫丹、段敬來、姚會軍、侯明東、王玲玲等老師為本文提供資料並提出修改意見。
參考資料：
1. Mo D, Liu J, Duan J, Yao H, Chen Y, Sun Y, et al. Plasmon resonance of copper nanowire arrays embedded in etched ion-track mica templates. Materials Letters. 2012; 68: 201-3.
2. Mo D, Liu J,Duan JL, Yao HJ, Latif H, Cao DL, et al. Fabrication of different pore shapes by multi-step etching technique in ion-irradiated PET membranes. Nuclear Instruments & Methods in PhysicsResearch Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms. 2014; 333: 58-63.
3. 郭洪英, 黃正德. 離子微孔膜的研究及應用[J]. 核技術, 2002, 7: 559-564.
4. 張 林, 莫 丹, 丁天棟. 核孔膜在茶湯過濾中的應用[J]. 核技術, 2018, 41(1).
5. 郭士倫. 核孔膜的特性和應用[J]. 物理, 1988, 17(5): 285-289.
6. 曹殿亮, 劉傑, 曲曉華, 段敬來, 莫丹, 姚會軍, 陳豔峰, 孫友梅. 利用重離子輻照技術製備鋰離子電池隔膜[J]. 原子核物理評論,
2010, 27(1): 102-106.
原標題：「膜」力無窮，你就是當之無愧的膜界大咖
來源：中科院近代物理研究所
編輯：他和貓