刘清路博士，现在是西湖大学助理研究员

此时，刘清路博士搭建的电化学二氧化碳还原反应测试装置派上了用场。异想天开的唐堂和刘清路，把西瓜皮膜剥离下来，放入电化学二氧化碳还原反应测试装置。

在实验室，这些平日一丝不苟的博士们偶尔也会“玩”心大起，对生活中的意外，保持着好奇心。

神奇的是，西瓜皮膜居然真的能工作！而且展现出不亚于商业化离子交换膜的性能！

这引起了团队的兴趣，并在第一时间向孙立成汇报交流。孙立成很坚定地鼓励他们虚心向西瓜皮“学习”，为未来仿生离子传输膜的制备提供指导。他亲自将该项目命名为“西瓜皮计划”。

解冻中的西瓜皮

这显然是一个跨学科的问题。

理想的碱性电化学二氧化碳还原反应体系中的离子传输膜要具备选择透过性，就像一个“拦网”——让电解液中的氢氧根离子（OH^-）自由通行，却拦住阴极电解液中的二氧化碳液体产物——例如甲酸根、乙酸根、乙醇等，从而降低分离成本。

这看似有点矛盾，但“通过初试”的西瓜皮好像具备这种神奇的能力。

西瓜皮膜示意图，主要由三层组成。Cuticle是最外侧的角质层，Epidermis是上皮层，Hypodermis是皮下组织层

为什么西瓜皮会出现这种离子选择性？首先需要从生物学上对西瓜皮有足够的了解。

在孙立成的引荐下，刘清路和唐堂很快找到生命科学学院特聘研究员吴建平和李小波，虚心求教。李小波长期从事植物学和微生物学研究。而吴建平主要从事通道结构研究，2021年成功揭示受精过程关键离子通道CatSper的高分辨结构，解决了离子通道领域和生殖医学领域一大重点难题。

讨论中，老师们怀疑也许不是细胞膜通道的作用，因为西瓜皮膜在碱性溶液下，细胞本身已经被破坏。果然，通过荧光识别剂发现西瓜皮膜的细胞已经死亡，搜索的范围进一步缩小，来到了细胞壁。

在西湖大学张鑫教授的引荐下，团队成员又与在美国宾夕法尼亚州立大学的顾颖博士进行了交流，了解到细胞壁的结构和成份的复杂性。

如同侦探，有了最初线索，研究团队不断地从细微处寻找蛛丝马迹。通过多种表征技术手段，研究团队锁定了细胞壁的主要成分——包括纤维素、半纤维素和果胶。

其中纤维素有规律地排列，形成直径为2到5纳米的三维通道，而果胶均匀填充了这个有规律排列的三维纤维状通道。

层层叠叠的细胞壁在电镜下逐步放大，最终呈现出纤维状通道

含果胶的纤维素纤维束的分子动力学模拟模型图

唐堂一个博士，也需要向西瓜皮学习

氢键网络化学示意图，氢氧根离子传递的过程，有点像物理上的“牛顿摆”

西瓜皮膜内的“离子选择性传输机制”示意图

但对于酸根离子，氢键网络就没那么“客气”了，因为酸根离子无法通过氢键网络传递。

研究团队进一步通过模拟计算发现，果胶中富含的带有负电荷的羧酸根（- COO-）与带负电荷的甲酸根离子，“同性相斥”，阻碍了甲酸根的迁移，实验结果也证明了这一点。

答案逐渐浮现：一方面，氢氧根离子通过连续的氢键网络和微孔通道加速，如同上了高速公路；另一方面，酸根离子被果胶中的羧酸根排斥，并与果胶和纤维素里的羟基形成氢键，它们被拖住了。

唐堂博士在实验室，现在是西湖大学副研究员

至此，“模范生”西瓜皮膜的机理终于基本探明。它展现出来的精妙机理，正在指导实验室进行全新的离子传输膜设计，制备了分别用于电解水以及电化学二氧化碳还原反应的阴离子交换膜，并展现出超高性能。目前这些后续研发正在推进阶段。

但面对西瓜皮膜内错综复杂的纳米级通道，以及细胞壁中生物质的复杂结构和组成，研究团队秉持着对大自然的敬畏，依然不敢说已经全然了解西瓜皮膜的机制。

孙立成教授也经常在实验室说，师法自然，大自然总有我们意想不到的能力。