海水提铀作为一种非常规铀资源的获取方式，近年来一直是国际国内的研究热点。2016年《Nature》撰文将海水提铀列为有望“改变世界的七项化学分离技术”之一。近期中国科协也将“制约海水提铀的关键科学问题是什么？”列为十大前沿科学问题。过去很长一段时间内，针对海水提铀聚合物材料的设计和研发主要集中于两个层面：1）微观尺度下的配体分子设计、优化与合成；2）宏观尺度下的材料结构、形貌调控（图1）。然而，由于对介观尺度下聚合物链段空间构象与其吸附行为的关系这一科学问题缺乏认识，并且缺乏精准调控聚合物链段构象的技术手段，现有报道的大多数海水提铀材料远远无法兑现其理论上的吸附容量，功能配体有效利用率极低。以被广泛应用的偕胺肟基（AO）聚合物为例，当其暴露在海水中时，AO配体有效利用率不足1%，导致对海水中铀的富集能力低下，制约了海水提铀工程化的进展。

图1 宏观、介观和微观尺度下海水提铀聚合物性能的影响因素

  最近，清华大学核研院叶钢副教授研究团队与卡耐基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授研究团队合作，定量论证了介观尺度下聚合物链段构象对其吸附性能的影响规律，并结合多尺度计算辅助材料设计与光控大分子合成技术，实现了具有链段构象优势的新一代嵌段聚合物（Block copolymers, BCPs）海水提铀材料的优化设计与连续化精准合成（图2）。该研究成果以“Multi-scale computer-aided design and photo-controlled macromolecular synthesis boosting uranium harvesting from seawater”为题，发表在《Nature Communication》上（Nat. Commun., 13, 3918 (2022)）。清华大学博士生刘泽宇与中国原子能科学研究院兰友世博士为共同第一作者，清华大学叶钢副教授、卡耐基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金优秀青年科学基金No. 21922604(G. Y.), 国家自然科学基金面上项目No. 51673109 (G. Y. )和美国能源部基金ER45998 (K. M.)的支持。

图2研究理念及方法示意图

图3 左：MD模拟示意图，右：DPD模拟示意图

图4 连续流光控聚合流程示意图

图5 吸附测试示意图及材料的吸附性能

  在本工作中，叶钢副教授研究团队提供了一种立足介观尺度下空间构象因素定量评估聚合物材料吸附性能的研究视角，并通过将多尺度计算模拟与PET-RAFT聚合方法相结合，建立了一种海水提铀材料研发的新范式，实现了具有构象优势的嵌段聚合物型海水提铀材料的设计、优化和定制合成。由于聚合物链段空间构象是其功能实现的重要物理基础，该研究范式对于更为广泛的功能性嵌段聚合物材料开发同样具有借鉴意义。

  原文链接

  https://www.nature.com/articles/s41467-022-31360-x

  Multi-scale computer-aided design and photo-controlled macromolecular synthesis boosting uranium harvesting from seawater

  Zeyu Liu, Youshi Lan, Jianfeng Jia, Yiyun Geng, Xiaobin Dai, Litang Yan, Tongyang Hu, Jing Chen, Krzysztof Matyjaszewski^* & Gang Ye^*

  Nat. Commun., 13, 3918 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31360-x