盡管已經過去了3年，但西湖大學理學院副研究員唐堂至今仍忘不了那年炎熱的天氣以及吃西瓜吃到「吐」的經歷。
西湖大學理學院助理研究員劉清路正在剝離西瓜皮。
近日，唐堂所在的西湖大學孫立成院士團隊受植物中果膠通道結構的啟發，在學術期刊【能源與環境科學】上發表了一項重要研究成果——基於空間構型調控方法制備高效能陰離子交換膜，這種方法進一步提高了陰離子交換膜的孔結構穩定性、離子導電性和機械強度，在工業套用中頗有前景。
這一重要研究，正是源於3年前端午節的一個西瓜。 此前，孫立成團隊中，唐堂和西湖大學理學院助理研究員劉清路等人，便已受植物啟發，在離子交換膜方面發表了很多科研成果，並申請了多個專利。
3年前的端午節，西湖大學雲棲校區門口已擺出了西瓜攤。當時還是西湖大學博士後的唐堂買了一個西瓜，為了快點吃上冰鎮西瓜，便直接放在冰箱的冷凍層。但是，唐堂做實驗一忙起來就沒有停歇的時間，西瓜被「冷落」了幾天。
想起來的時候，西瓜已經被凍成「冰球」，想吃就需要先解凍。在解凍過程中，西瓜表皮十分輕易地被剝落了下來，這引起了唐堂等團隊成員的興趣。
正在解凍中的西瓜皮。
他們發現，解凍時，西瓜皮膜很容易剝落，而且可以大片取下。經過測試，剝落的西瓜皮膜力學效能也很好，「不是很容易被撕破」。考慮到西瓜含水量高，有可能是一個不錯的離子傳輸膜，他們便使用西瓜皮膜替換人工生產的膜進行測試。 測試發現，西瓜皮膜竟然能工作，且與一種人工膜的效能相差無幾。
把二氧化碳還原成甲醇、乙酸、乙醇等高附加值產品，其核心部件便包含離子傳輸膜。這種膜的厚度一般在20-100微米之間，需要兼顧傳輸離子和透水的效能。找到一個合適且高效的膜非常重要，其效能直接影響到能源轉換效率和產物收整合本，而西瓜皮膜就有成為這種核心部件的潛力。
有了這個測試結果，他們連忙向中國科學院院士、西湖大學教授孫立成匯報。 孫立成認為這個發現很有創意，便鼓勵研究團隊向西瓜皮「學習」，並將該專案命名為「西瓜皮計劃」。
隨後，劉清路測試了不同表皮的效能。她首先嘗試了西紅柿的表皮，這種表皮很容易卷曲，而且穩定性不夠，很難維持離子傳輸。研究團隊也使用了青辣椒的表皮，青辣椒表皮的最外側有一層白色的膜，這層白色膜可以阻礙水分流失，但也阻礙了離子傳輸。在實際測試中，西紅柿和青辣椒的表皮效果均不佳。
研究團隊還使用多種植物表皮進行研究，最後發現西瓜皮最為合適。
孫立成團隊的研究員正在剝離解凍後的西瓜皮膜。
理想的堿性電化學二氧化碳還原反應體系中的離子傳輸膜，要具備選擇透過性，就像一個「攔網」——讓電解液中的氫氧根離子自由通行，卻攔住陰極電解液中的二氧化碳液體產物——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，從而降低分離成本。而西瓜皮膜恰好具備這種神奇的能力。
西瓜皮膜為何會出現這種離子選擇性？唐堂和劉清路等研究人員查閱資料，並找到生命科學學院特聘研究員吳建平糊李小波等專家學者，虛心求教。
在不斷的研究、討論中，研究團隊發現這種優秀的離子傳輸特性，源自西瓜皮膜的細胞壁。他們透過多種表征技術手段，釘選了 西瓜皮膜細胞壁的主要成分，包括纖維素、半纖維素和果膠 。其中纖維素有規律地排列，形成直徑為2-5納米的三維通道，而果膠均勻填充了這個有規律排列的三維纖維狀通道。
就是這個特殊的結構，讓西瓜皮膜具有極其優秀的離子傳輸效能。 這種效能優秀到什麽程度？研究發現，在1摩爾每升的氫氧化鉀中浸泡後的西瓜皮，其皮下層膜室溫下的氫氧根離子的電導率，要優於1摩爾每升氫氧化鉀水溶液本身的離子電導率，也就是說，西瓜皮膜不但起到分離作用，還能加速氫氧根離子的傳輸。
此外，研究還發現西瓜皮膜最外面的一部份是角質層，角質層會阻礙離子傳輸。研究團隊透過化學手段將部份角質層移除。角質層部份移除後的西瓜皮膜，作為離子傳輸膜，其效能幾乎已與商業中使用的離子傳輸膜相當。
研究過程中，為了獲取珍貴的實驗材料，整個研究團隊吃西瓜吃到快「吐」了。後來，他們去附近的水果店，討要果切剩下的西瓜皮。店員們非常疑惑：「你們家裏是養雞了嗎？」
一來二去，店員才明白，西瓜皮竟然成為珍貴的實驗材料。於是，熱心的店員就主動幫實驗室留著西瓜皮。
實驗中還有很多困難，但是他們一一克服。
最終，西湖大學未來產業研究中心、理學院孫立成團隊在國際學術期刊【自然·通訊】上發表了一項突破性研究成果。他們將西瓜皮膜套用在電化學二氧化碳還原反應中，展現出了卓越的效能，並在此啟發下提出了一種構建新型離子傳輸膜的策略。
至此，「西瓜皮計劃」取得了階段性的成果，但面對西瓜皮膜內錯綜復雜的納米級通道，以及細胞壁中生物質的復雜結構和組成，研究團隊秉持著對大自然的敬畏，依然不敢說已經全然了解西瓜皮膜的機制。
隨著對於西瓜皮的深入研究，孫立成團隊又在學術期刊【能源與環境科學】上發表了一項基於空間構型調控方法制備高效能陰離子交換膜的研究成果，其他西瓜皮相關研究成果也正在準備投稿。
西湖大學理學院副研究員唐堂正在做實驗。本組圖片均由受訪者提供
孫立成總是向團隊的研究人員傳遞「師法自然」的觀念。他多次提到，自然界中有很多值得研究的東西。
「孫立成老師做事情十分嚴謹認真。」劉清路說，孫立成對於科研的要求非常高，直到現在依然活躍在科研的一線指導學生實驗，並對實驗細節中隱藏的要點和新發現非常敏銳。
在對西瓜皮的工作有一定認識後，孫立成也在思考可以用什麽植物的表皮進行實驗。一天早上，他看到小區裏有一片茂密的芭蕉葉，他想知道這片葉子是否會有離子傳輸功能，便跑到樹下去看。但小區裏不讓摘，他就去河邊找，最後終於找到合適的葉子，並帶回實驗室。
孫立成今年60多歲，每天8點多準時到實驗室，經常晚上10點半以後才離開。在唐堂印象裏，孫立成幾乎每天都是這樣度過的，「孫老師的工作時長我們很多人都自愧不如」。
保持著對大自然的好奇和敬畏，孫立成團隊已經取得了多項成果。目前，西瓜皮膜的多個相關專利已經申請成功。
孫立成常說：「大自然是我們最好的老師。」
來源：中國青年報廣州日報新花城編輯：林傳淩
