芯片、集成电路以及高端精密仪器的制造，对工艺环境和介质纯度提出了近乎苛刻的要求。其中，高效分离与稳定传质是在线水质检测以及精密分析仪器中的关键基础环节。膜分离作为低耗能分离方法，传统聚合物分离膜在通量、选择性和长期稳定性方面的局限日益显现。在微米—纳米尺度下，短程传质与受限输运为分子级分离提供了不同于宏观体系的物理条件。纳米孔石墨烯分离膜因其原子级厚度（约0.34 nm）和可调控的纳米孔结构，本质上是一类依托微米—纳米加工实现结构调控的二维功能膜材料，能够打破传统高分子材料具有的通量与选择性的“trade-off”效应，在分离、传感等应用场景中展现出显著优势，被认为是突破精密分离瓶颈的重要候选材料。然而，如何在保证分离性能的同时，实现大面积制备、缺陷控制与长期稳定运行，仍是该领域走向工程应用亟需解决的核心问题。
针对上述难题，北京大学集成电路学院王路达课题组依托微米纳米加工技术全国重点实验室和北京石墨烯研究院，提出并实现了一种面向工程应用的跨尺度复合纳米孔石墨烯分离膜结构。该工作从纳流体传输机理出发，创新性地提出“流动阻力匹配”设计策略，通过多层级结构协同调控，在保证高渗透性的同时显著抑制非选择性泄漏。复合膜体系采用相分离法制备的多孔 PVDF 基底提供宏观机械支撑，在其上集成双层纳米孔石墨烯实现分子级筛分，并引入超薄 PDMS 涂层对缺陷进行有效封堵与修复，整体工艺与 MEMS 及微纳加工流程兼容，膜面积可扩展至 300 cm²，具备良好的规模化制造潜力（图1）。
图1 纳米孔石墨烯复合膜示意图及性能展示
在精密仪器膜式总有机碳（TOC）分析系统中的气–液分离验证实验表明，该纳米孔石墨烯复合膜表现出优于传统聚合物膜的线性响应特性（R² 达 99.9%），并在长达 672 小时的连续运行中保持稳定工作，显著提升了测量可靠性与稳定性。这一成果为纳米孔石墨烯分离膜在水质分析以及其他高端精密仪器中的应用提供了重要技术支撑，有望用于半导体超纯水在线监测，也为基于微米—纳米加工的纳流体器件与 MEMS 的深度融合开辟了新路径。
相关成果以“Overcoming Cross-Scale Manufacturing Barriers toward Scalable Nanoporous Atomically Thin Membranes for Gas–Liquid Separation ”为题，发表在《Journal of Membrane Science》上(https://doi.org/10.1016/j.memsci.2026.125170)。 北京大学集成电路学院2024 级博士研究生卢大伟为第一作者，王路达研究员为通讯作者，北京石墨研究院侯丹丹研究员为联合通讯作者。以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等支持。
