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加速器|手机膜、保鲜膜，这么多膜谁才是真正的膜界大咖？

膜 ， 在我们的生活中随处可见 。 手机膜、保鲜膜、美容面膜、汽车玻璃膜 ， 随随便便我们都能说出好多种膜 。
其实 ， 还有这样一种膜 ， 因为具有神奇的能力 ， 它被誉为是世界上最先进的精密筛分材料 。 它的生产制备与核技术密不可分 ， 并且也已经融入了我们的日常生活 ， 在食品饮料、医疗制药、化工、电子、环保等领域都有广泛的应用 。
这位神秘的膜界大咖就是——核孔膜 ， 全称核径迹蚀刻微孔膜 。 它还有好几个名号 ， “核微孔膜”、“重离子微孔膜” ， 说的也都是核孔膜本尊 。
我们先从核孔膜的研究历史和制备说起 。
1. 核孔膜是怎么造出来的？
核孔膜的历史可以追溯到上个世纪60年代 ， 是在固体核径迹技术的基础上发展起来的 ， 最早在美国通用电气（GE）研究室制备成功 。 Fleischer和Price等人利用放射性核素产生的裂变碎片轰击薄膜和矿物质材料 ， 发现可以制备出特殊的微孔 。
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图 核孔膜最早在美国通用电气研究室制备成功
这种新型的微孔膜 ， 孔的形状规则、孔径均匀 ， 和其它膜在生产方法和微孔结构上完全不同 。
研究者们预测 ， 这种性能奇特的薄膜将在过滤、物质分离等方面获得广泛的应用 。 70年代初 ， 美国率先实现了核孔膜的商品化生产 ， 主要用于一些精密的分析检测行业 。
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图 典型的核孔膜电子显微镜图像 
早期 ， 核孔膜是在核反应堆上利用铀等重核的裂变碎片轰击膜材而制成的 。 但是 ， 这种方法的效率和产能都比较低 ， 所以产业化很难推广 。 而且 ， 由于裂变碎片的质量和能量都不是单一的 ， 射程有限 ， 核孔膜的质量也不够完美 。  
随着加速器技术的兴起 ， 科学家们想出了一个安全、高效的制备核孔膜的方法——利用重离子加速器辐照形成离子径迹 。
加速器将重离子加速到非常高的能量 ， 去轰击一定厚度的薄膜 。 离子辐照后在薄膜中形成的径迹是非常微小的 ， 很难观察 ， 被称作为“潜径迹” 。 经过化学蚀刻后 ， 潜径迹处形成孔道 ， 最终形成各种各样的核孔膜 。
目前 ， 美国、德国、日本、瑞士、俄罗斯和中国等国家都利用现有的重离子加速器装置生产核孔膜 。
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图：中科院近代物理研究所用于核孔膜辐照的分离扇回旋加速器（SSC）
用加速器来生产核孔膜有这么多的优点 ， 如果非要说一个缺点 ， 那就是费钱！早期 ， 受限于加速器装置运行的高昂成本 ， 核孔膜的价格一直很高 ， 一平米需要几百元甚至上千元 。
因此 ， 如何降低核孔膜的成本 ， 让更多的普通人受益 ， 一直都是研究者们的重要课题 。  
中科院近代物理研究所拥有亚洲能量最高的兰州重离子加速器装置 ， 有专门用于高性能核孔膜辐照的终端及蚀刻线 ， 具有批量生产核孔膜的独特条件 。
利用加速器能量高的优势 ， 兰州重离子加速器在真空外可一次性同时辐照6层膜材料 ， 1小时能生产1万平米 ， 极大地降低了核孔膜的成本 。
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图：核孔膜辐照终端加速器|手机膜、保鲜膜，这么多膜谁才是真正的膜界大咖？
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图：经过高能重离子辐照的薄膜（左）、核孔膜辐照卷膜机（右）

2. 真的有那么神奇吗？
真的！核孔膜区别于普通膜的最大特点 ， 就是它的孔径均一、孔形规则 ， 每一个孔的尺寸与形状几乎完全相同 。 核孔膜是所有膜材中唯一具备筛分机理的滤膜 ， 因此被誉为是世界上最先进的精密筛分材料 。
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图 核孔膜与常规膜对比
在肉眼可见的尺度 ， 想做到孔径一样 ， 并不难 。 然而在微观尺度下 ， 普通膜就捉襟见肘了 。 核孔膜能轻松做到 ， 就是因为它的每个微孔都是由种类和能量相同的离子辐照和后期蚀刻形成 。 更厉害的是 ， 这些纳米级、微米级的小孔 ， 其孔径和孔密度还能被精确调控！ 
通过控制高能重离子的辐照和蚀刻条件 ， 就能定制我们需要的核孔膜 。 孔径可以在亚纳米到几十微米的范围内任意选择 ， 孔的密度可以做到从1平方厘米1个小孔到上亿个小孔 。  


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