“如果将光透射技术定量纳米孔孔径这一技术应用在工业检测设备上，这个巧妙发明可能会产生更大价值。”中国科学院长春应用化学研究所副研究员王家海近日告诉《中国科学报》记者。

　　技术的灵感是在王家海指导学生实验时的一个大胆猜想。通过严密分析，实验论证这个技术具有非常简单的操作过程。王家海从事基础研究，对于该项技术，他认为可以在生物和医学临床应用、海水淡化、饮用水纯化及仿生膜发电等领域发挥作用。

　　无奈“动手”

　　自从1960年发展了核孔膜技术（高能重金属离子轰击高分子薄膜，化学刻蚀重金属离子轨迹）以来，拥有特定纳米或微米孔径的滤膜在食品安全、环境污染、生物技术、医药领域、染料能源和化工等各个领域都有广泛的应用。

　　比如，在肾病病人透析时需要使用透析膜，将体内更多有害物质透析掉。在环保领域中，过滤膜也有着广泛的使用，如对某地水资源进行检测，取样研究，需要借助过滤膜将小分子结构的微生物、病毒及渣滓等物质过滤掉。

　　王家海接触核孔膜是因为科研需要使用过滤膜。对比国内外核孔膜产品之后，他发现，国外产品虽然孔径控制精确度高，但是价格也普遍较高，小小一块就要一百多元。

　　但是，当他拿到一张张国内厂商生产的过滤膜后却发现，无法在科研中使用。一张核孔膜上的孔径有大有小，有的标称孔芯尺寸为100纳米，其实测量之后发现，孔径都已经达到700～800纳米了，远不能满足实验需求。

　　“我们当时想到的是，或许因为国内该产业起步晚，尚未达到自动化生产水平，所以相关生产和监测水平不高。”

　　没有合适的核孔膜，科研工作可不能因此受影响。怎么办？“动手自己刻蚀核孔膜”，于是，王家海开始“自给自足”。

　　大多数滤膜是通过聚合物的合成而来，而孔径则多是经过重离子辐射后，再经过湿法刻蚀从而得到。

　　他采用同样的方法用高强碱液进行腐蚀，并通过时间长短进行孔芯大小的控制。之后却发现，不同批次的膜重复性不好。 在刻蚀过程中，需要使用紫外灯进行照射等烦琐的过程，多次反复可能是造成精度不准的原因之一。“因此，我在考虑，能否使用膜的自身特性来控制孔径的大小。”王家海说。

　　实验取证

　　知道制作方法，对刻蚀出的核孔膜孔径大小进行检测并不能得到及时的反馈。王家海翻看国内外相关文献发现有下面几种方法。

　　至今，表征孔径的方法可根据物理机制分为：扫描电子显微镜检查法（SEM），透射电子显微镜检查法（TEM），原子力显微镜（AFM）；根据流体输送分为：始沸点，气体传输；根据流体吸附作用分为：氮气吸附/解吸（BEH），水银孔隙度计，液气平衡（BJH），气液平衡，液固平衡等。

　　然而，如果使用SEM和TEM等较为昂贵的仪器检测孔径大小，需要将膜晾晒干燥之后进行，操作步骤烦琐，测量也很不方便。

　　在这么多表征和测量孔径技术中，电子传导是最为简单的，可却仍然存在着操作烦琐，无法达到快速和可靠的结果，而且在孔径周围的变化也影响了此技术的准确性，往往测出值较实际值要偏大。

　　“那时，我对着一张已刻蚀的核孔膜发呆，发现刻蚀过的核孔膜颜色随时间发生改变，我想这是否与光有一定联系呢？”王家海说。

　　于是，将刻蚀好的核孔膜用紫外可见分光光度计分析，王家海得出：颜色变化可能与孔径是有关联的。

　　顺着这个思路，王家海与学生做了一批次实验，透过光的强度进行线性分析，用数学工具分析，确实呈现线性关系。终于找到了科学理论的支撑，王家海发现这个实验可以继续下去。

　　不可否认，从1960年至今，刻蚀后核孔膜颜色发生变化这一现象，已被不少人发现，但是却鲜有人意识到孔径与颜色变化的关联，并进行研究。

　　“只需要紫外可见光谱仪，便可表征和测量滤膜孔径的方法，不仅操作简单，检测液快速、精准，同时也大大降低了实验成本。”王家海说。

　　PET膜用密度为5×107每平方厘米轨迹的重金属离子辐射后，在波长为300纳米以下有很强的吸收。将PET膜放入刻蚀溶液中，辐射后的轨迹就会逐渐形成圆柱形的孔道，且随着刻蚀时间的延长，膜也会由于其表面粗糙度的变化而变得半透明，从而使透射光减少，反射和散射光增强。

　　发现亮点

　　通过SEM可以得知，孔径从纳米级到微米级都与光透射强度呈现出良好的线性关系。

　　王家海还得到更多启示：这一实验现象是反直觉的。从直觉而言，很多人都会认为孔径越大，透过的光就会更大，而实验结果却显示：孔径越大，透过的光却变少。实验数据分析，这也是意料之外，情理之中。

　　“这是我认为比较有创新点的地方，找到了一个物理化学的新例子。”王家海说。

　　这是因为，在刻蚀核孔膜的过程中，选择性刻蚀的区域与刻蚀较少的区域之间存在缓冲带。刻蚀的时间越久，缓冲带会逐渐变大，化学结构变得更为粗糙，物理化学发生了根本性改变。

　　正是因为缓冲带不断变大，散射和反射光越来越大，尽管孔径变大，透过去也越大，但“博弈”最后的结果是透过的光反而变少了。当孔径为1微米以下，这一技术都能适用。更大孔径的检测需要孔密度低的膜，否则核孔膜会变得更脆弱，不方便操作。

　　仅需要紫外可见吸收光谱来定量检测孔径大小的方法，可在纳米级到微米级的孔径的定量中使用。

　　在此实验中，王家海只尝试了最小孔径为60纳米左右的核孔，孔密度更高的话，可测到的孔径会越小，如果在此基础上孔密度再增加10倍及以上，王家海估算最小孔径可测到20纳米左右。且此方法有一定的普遍性，既适用于PET膜，同时也适用于PC膜。

　　王家海认为，所以相对于其他检测方法来定量孔径，此方法具有可重复性、线性、操作简单、仪器易得和可依靠性等优势，这就可以为以后的工业生产不同大小孔径的滤膜提供潜在的应用价值。

　　（原载于《中国科学报》 2013-10-29 第5版 创新周刊)