智能薄膜——多尺度门控薄膜的概念、发展、制备方法及应用

am-houxu膜是生命体区别于非生命体的重要特征之一,它是一个选择性的屏障,允许某些物质通过的同时可阻挡其他物质的通过。这些物质可以是气体、液体、分子、离子或其他小的颗粒物中的一种或几种。智能薄膜的设计是基于膜对外界刺激响应显著改变的特性。这些外界刺激通常包括光、压力、pH、温度、湿度、电场及磁场等。多孔膜的门控性质则是指膜孔道的打开和关闭。例如,当一个纳米通道薄膜系统处于打开状态时,它允许离子传输从而实现离子电导。膜的分类方式多种多样,依据来源分为人工合成膜和生物膜,而依据结构分为对称性膜和非对称性膜。人工合成膜依据用途进一步分为致密膜和多孔膜两种。门控膜的现实应用依赖于膜的孔道尺寸和孔道内表面的性质(电荷,表面能,浸润性等)。依据膜孔道尺寸的大小,门控膜又可分为纳孔门控膜、微孔门控膜和大孔门控膜三种。

厦门大学仿生多尺度孔道研究侯旭课题组(Xu Hou Group)受邀在《Advanced Materials》上发表了题为“Smart Gating Multi-Scale Pore/Channel-Based Membranes”的进展报告文章。文章首先概述了智能薄膜的基本概念及门控系统的概念,指出智能薄膜的设计是基于膜对外界刺激响应显著改变的特性,这些外界刺激通常包括光、压力、pH、温度、湿度、电场及磁场等。文章同时列举了三种典型的智能响应多孔薄膜系统,包括(1)利用物理化学方法对孔道内表面进行功能化分子的修饰,以实现内壁的智能响应,(2) 利用物理化学方法对孔道的一端进行功能化分子的修饰以实现膜的智能响及(3)利用动态的门控液体来实现膜孔道的门控响应。am-houxu1

文章进一步介绍了如何通过对称和非对称修饰的方法制备智能门控薄膜。比如可通过重离子轰击加径迹化学刻蚀的方法制备锥形的非对称结构纳米通道材料,实现纳米尺度的孔径通道。而整个锥形纳米通道的内表面可通过各种物理化学方法进行功能化改性,比如可利用化学沉积、自组装和等离子改性等方法。在特定位置进行对称和非对称的修饰可为智能薄膜材料带来更加复杂的功能。 此外,基于液体门控的方法将突破固态功能修饰方法的局限性,将固体-液体/固体-气体界面的科学问题转化到液-液/液-气界面,这将为薄膜科学带来新的智能化设计思路。

自然界的生命体经过亿万年的进化几乎完成了智能操纵的所有过程,向自然学习是新材料和新体系发展的永恒主题。基于仿生学的材料学,化学及物理学领域的前沿交叉领域,进入二十一世纪,受到了全世界科学家们的广泛关注。深入观察和研究生物多尺度系统的结构、功能以及物化性质,是设计和开发仿生智能门控多孔薄膜系统的关键因素。正如文章所指出的,受生物体中多尺度孔道界面的启发,系统地研究微/纳尺度孔道和孔道内的物理化学组成对其物质输运的门控性质的调控, 将为智能薄膜的应用带来新的机遇和挑战,也必将推动仿生孔道在生物医学、智能薄膜、物质分离、污水处理等领域的实际应用。相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201600797)上。