Small:具有超高开关比和灵敏度的盐离子响应性多孔膜材料

刺激性响应特性的智能分离膜可以根据外界刺激性信号的改变,例如盐离子浓度、溶液酸碱度、光强度、温度、湿度等,来自动调节膜孔道大小,在可控输运、药物释放、精细分离、组织工程及传感器等诸多领域具有巨大的应用潜力。截至目前为止,刺激性响应特性的智能分离膜材料其开关比相对较低,灵敏度度不足,导致其对流体传输的调控能力偏弱,。

针对这一问题,苏州大学材料与化学化工学院靳健教授课题组创造性地结合两种离子响应材料,通过简单易行的表面接枝手段,将两性离子纳米水凝胶接枝到聚丙烯酸-g-聚偏氟乙烯(PAA-g-PVDF)微孔膜表面和/或孔道内壁上,成功制备了超灵敏的盐响应性智能膜材料,该膜材料的开关比高达89。相关结果以“Zwitterionic Nanohydrogels–Decorated Microporous Membrane with Ultrasensitive Salt Responsiveness for Controlled Water Transport”为题,在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201903925)上。该工作的第一作者为苏州大学材料科学与化学学部研究生王阿强同学,苏州大学靳健教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的朱玉长副研究员作为论文的共同通讯作者。

该研究团队首先利用非溶剂致相转化法(NIPS),以乙醇/水作为凝固浴,成功制备了孔径约320纳米的PAA-g-PVDF多孔膜。进一步地,研究团队成员将通过反相微乳液聚合方法制备得到的尺寸在55纳米左右的两性离子纳米水凝胶粒子接枝到多孔膜表面/孔道内壁表面的PAA分子链上。这种纳米凝胶球和聚合物链相结合的方式类似于葡萄生长在葡萄串上。由于PAA分子链在盐溶液中会发生卷曲收缩,PAA分子链卷曲收缩的同时会带动两性离子纳米水凝胶粒子一起运动,大大的提升了分子链扩展空间。在这两种功能材料协同运动作用下,该多孔膜对盐离子溶液表现出超灵敏的响应特性,在较低的盐离子浓度就可以达到较高的开关比,其对钠离子的开关比高达8.76倍,对镁离子的开关比高达89.6倍,对钙离子的开关比高达89.3倍。进一步地提升盐离子溶液浓度,由于纳米凝胶的溶胀作用,膜分离通量会发生减缓,显示出明显的多段式响应特性。此外,该盐响应智能膜对刺激源的响应非常迅速,在连续过滤过程中,一旦改变盐离子溶液浓度或种类,分离膜材料的渗透通量迅速发生改变。这些特性表明该多孔膜材料在流体的可控输运方面具有重要的应用前景。