膜分离技术在水处理、气体分离和能源回收等领域具有重要应用，常见的膜材料包括石墨烯、金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和聚合物膜。
分子动力学模拟为研究膜材料的分子层次特性提供了有力工具，通过扩散轨迹分析、径向分布函数、扩散系数、透过率和密度分布等手段，研究了膜材料的选择性透过性能和分子在膜中的运动行为。通过这些模拟分析，研究者能够优化膜的性能，推动膜技术在实际应用中的发展。
常见的膜材料
石墨烯（Graphene）膜：
石墨烯具有超高的比表面积和优异的机械强度，在膜分离中被广泛研究。其单层二维结构使得分子可以通过膜的孔隙进行选择性透过，同时对小分子的选择性过滤也具有较高的效率。近年来，石墨烯氧化物膜（GO膜）也逐渐应用于水处理领域，具有较好的水通量和过滤性能。
DOIhttps://doi.org/10.1039/C4CS00423J
MOF材料由金属离子和有机配体组成，具有高度的孔隙度和可调节的孔径，因此在气体分离和水处理等领域有广泛的应用。MOF膜的优点是其可以通过改变配体结构或金属中心来调节孔隙大小，以实现对特定分子的选择性分离。
COF是由共价键合的有机单元构成的材料，其具有高度的可调性和周期性孔结构。COF膜具有优异的化学稳定性和机械强度，且孔隙结构可以根据需要进行精确调控，因此也被应用于分离和储存小分子。
DOI：10.1021/jacs.5c04063
聚合物膜：
聚合物膜是一类常见的膜分离材料，广泛用于水处理、气体分离等领域。常见的聚合物膜有聚醚砜（PES）、聚酰亚胺（PI）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。聚合物膜的优点是制备工艺成熟、成本较低，但其通量和选择性通常较低。
分子动力学模拟分析手段
分子动力学模拟广泛用于研究膜材料的分子层次特性，常见的分析手段包括：
扩散轨迹分析（Diffusion Trajectory）：
通过追踪分子在膜中的运动轨迹，研究其扩散行为。可以分析分子的扩散路径、速度以及相互作用等信息。
径向分布函数（Radial Distribution Function, RDF）：
RDF是描述分子在空间中分布的函数，能够揭示膜内部或分子之间的局部结构和排列情况。RDF通常用于分析分子在膜中是否存在有序结构或局部聚集现象。
Microstructure of the near-wall layer of filtration-induced colloidal assembly
扩散系数/速率（Diffusion Coefficient/Rate）：
通过计算分子在膜中的扩散系数，可以量化分子通过膜的速度。扩散系数反映了分子的扩散能力，是膜分离性能的一个重要指标。
相互作用能（Interaction energy）：
相互作用能（Interaction energy）是指分子或原子之间由于各种力场（如范德华力、库仑力、氢键等）作用而产生的能，通过计算和分析这些相互作用能，可以深入理解分子间的相互作用机制。
密度分布分析（Density Distribution）：
通过分析分子在膜中不同位置的密度分布，研究膜的结构特性以及分子如何与膜发生相互作用。这有助于了解膜的孔隙结构和分子的选择性透过行为。
研究案例
石墨烯膜的水处理性能：
一项研究利用分子动力学模拟探讨了石墨烯氧化物膜对水分子的透过性能。结果表明，石墨烯膜可以通过调节氧化石墨烯的氧化程度，优化其水通量和选择性，从而提高水处理效率。研究还分析了分子在膜中的扩散行为和分布情况。
https://doi.org/10.1080/10643389.2021.1918509
由于不对称性复合膜的发明及其在能源和环境领域的大量需求，选择性分离气体和蒸气的膜生产量呈现明显增加趋势。气体分离膜具有分子选择性、低能耗、空间要求低、环境友好以及易于操作控制等优势。对于气体分离膜的渗透性和选择性主要受到膜的物理和化学性质的调控。
由于石墨烯材料具有丰富的特征（单分子层厚度、高机械强度以及化学和热稳定性等），被视为是气体分离复合膜的理想材料。目前，石墨烯膜（尤其GO）主要被应用于CO2分离。在分离CO2时表现出的不同特性主要由膜特性和关键的膜制备过程所控制。
MOF膜在气体分离中的应用：
一项研究通过分子动力学模拟分析了MOF膜对CO₂、CH₄等气体的选择性分离性能。研究发现，MOF膜对CO₂的选择性透过性优于传统聚合物膜，且其透过率与孔隙的大小密切相关。
doi: 10.1002/adma.202309572
利用金属凝胶诱导合成策略制备的g-ZIFs颗粒作为膜内柔性组分，g-ZIFs具有的柔性骨架结构和增大的空腔尺寸强化了气体分子传递。
同时，金属凝胶中未参与配位的金属空位诱导g-ZIFs颗粒堆积处形成强交联结构，保持膜致密性且强化气体筛分能力，我们将新形成的交联结构作为膜内刚性组分。刚性和柔性组分的协同作用使g-ZIFs膜展现良好的机械稳定性和优异的CO2/CH4分离性能。
聚合物膜的水蒸气透过性能：
模拟结果表明，PDMS@CB网络的水蒸汽扩散系数为2.35×10⁻⁹ m²/s，比PDMS网络的1.48×10⁻⁹ m²/s高出约1.6倍。这表明葫芦脲分子的加入显著提高了水蒸汽的传输效率。
葫芦脲分子的内腔尺寸为3.9 Å，与水分子的尺寸（2.6 Å）相近，有助于快速传输。此外，葫芦脲分子的内腔具有高度对称性和疏水性，可显著减少蒸汽分子与通道壁之间的摩擦碰撞，实现近乎无摩擦的表面滑动。