特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。膜被廣泛用于海水淡化、電池和透析等應(yīng)用中的分離過程，大多數(shù)技術(shù)開發(fā)的膜都是基于固體聚合物并充當(dāng)被動屏障，其傳輸特性受其化學(xué)成分和納米結(jié)構(gòu)控制。盡管這種膜無處不在，但事實證明，要實現(xiàn)獨立地最大化選擇性和滲透性具有挑戰(zhàn)性。自組裝生物膜的屏障和傳輸功能是分離的，為解決這一問題提供了靈感。磷脂是天然膜的分子構(gòu)件，但當(dāng)其面積超過1平方毫米時，它們的組裝會變得越來越不穩(wěn)定，如果沒有固體支撐，獨立BCP膜的最大可實現(xiàn)面積也限制在平方毫米范圍內(nèi)。 基于此，瑞士弗里堡大學(xué)阿道夫·默克爾研究所Alessandro Ianiro、Michael Mayer等人介紹了一種自組裝策略，該策略使用水相系統(tǒng)的界面來模板化和穩(wěn)定分子薄（約35 nm）的仿生嵌段共聚物雙層，其可擴展面積可以超過10 cm2且沒有缺陷。這些膜具有自修復(fù)功能，其阻擋離子通過的屏障功能（比電阻約為1 MΩ cm2）接近磷脂膜。這些膜的流動性使其能夠直接與分子載體功能化，這些分子載體以比鈉離子更精確的選擇性沿濃度梯度運送鉀離子。這種離子選擇性使得能夠在模擬電鰩發(fā)電器的設(shè)備中從等摩爾的NaCl和KCl溶液中產(chǎn)生電能。
溶劑置換法
作者利用BCP會在界面處聚集的熱力學(xué)驅(qū)動力來控制二維BCP自組裝，并通過兩相系統(tǒng)之間的界面來穩(wěn)定所得膜。設(shè)計了一種兩步模板策略，該策略基于從兩個水相的界面置換水不混溶有機溶劑來驅(qū)動界面組裝，證實了ATPS界面的基本穩(wěn)定作用。此外，作者使用各種水不混溶有機溶劑應(yīng)用了溶劑置換法，證實了該方法的通用性。 溶劑置換法可以形成表面積至少為10 cm2的ATPS 穩(wěn)定膜，比用折疊法制備的最大雙層膜大三個數(shù)量級，也是迄今為止報道的最大的獨立自組裝雙層膜。ATPS穩(wěn)定的膜對表面積沒有明顯的依賴性，其平均厚度為d??35?nm，比電阻超過0.1?MΩ?cm2，穩(wěn)定性可持續(xù)數(shù)小時才會自發(fā)破裂。熒光共振能量轉(zhuǎn)移實驗證實膜是不對稱的，兩個 BCP 以不同的比例分配到雙層的兩側(cè)，這些大面積 ATPS穩(wěn)定膜的機械性能與細(xì)胞膜相當(dāng)。ATPS支撐的膜對帶電有機染料的通過提供了出色的屏障功能，并且具有在100?μm長度范圍內(nèi)自我修復(fù)重復(fù)機械損傷的能力。 圖 由BCP1和BCP2組成的ATPS支撐膜的表征生物膜不僅僅是屏障，它們可以獨特的選擇性和效率控制特定化合物的運輸。作者通過加入選擇性離子轉(zhuǎn)運蛋白纈氨霉素賦予了ATPS支撐的大面積膜相同的功能。通過修改ATPS，在膜上引入了離子濃度梯度，測試了纈氨霉素與BCP 的各種摩爾比，發(fā)現(xiàn)纈氨霉素的加入會導(dǎo)致膜電阻逐漸降低，并出現(xiàn)電位和電流偏移，表明ATPS 支持的BCP膜是流體，因為離子載體可以在其疏水核心中自由擴散以穿梭離子，并且它們可以轉(zhuǎn)化為宏觀離子選擇性膜。受電鰩的啟發(fā)，作者設(shè)計了一種小型發(fā)電機，利用 ATPS 的獨特功能將多個離子選擇性膜串聯(lián)電堆疊。該裝置的基本單元由兩個ATPS組成，它們通過富含 KCl的水凝膠橋通過DEX相進行離子連接，實驗證實了該裝置的電位差源自附加跨膜電位。通過求解Goldman-Hodgkin-Katz方程，確定纈氨霉素?fù)诫s的膜對K+的滲透選擇性大約是Na+的八倍。圖 通過ATPS支持的離子選擇性BCP膜發(fā)電Sproncken, C.C.M., Liu, P., Monney, J. et al. Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07481-2
