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華中大趙強教授課題組《Nat. Commun.》:水-水界面鋪展與膜形成
2022-06-14  來源:高分子科技

  18世紀中期,富蘭克林發(fā)現(xiàn)油滴可以在水表面鋪展。隨后,非水溶性溶劑與水之間的液-液界面成為了進行化學反應和組裝的重要場所,啟發(fā)了包括Langmuir-Blodgett單分子膜等經(jīng)典技術的誕生。與此相對,水溶性溶劑液滴與水接觸時,一般發(fā)生混溶而非鋪展。采用高壓電噴霧技術降低水溶性有機溶劑液滴的尺寸,可以實現(xiàn)水溶性溶劑微液滴在水面上的鋪展,表明相溶的溶劑之間的界面可為分子組裝和合成提供新平臺(Huang et al., JACS 2015, 137, 10683.)。但如何在簡易條件下實現(xiàn)大尺寸水溶液液滴在水表面的鋪展仍然有待解決。


  近期,華中科技大學化學化工學院趙強教授團隊受到皮膚形成過程中pH驅動-液相分離現(xiàn)象的啟發(fā),報道了一種聚電解質水溶液在水表面自發(fā)鋪展,并形成多孔薄膜的機制。本工作中將含有聚乙烯亞胺(PEI)和苯乙烯磺酸鈉(PSSNa)的混合水溶液在酸性水表面鋪展形成多孔聚電解質膜,混合溶液的低表面張力驅動液滴在水面的鋪展,而低pH的水引發(fā)聚電解質在鋪展界面快速絡合,減少液滴向水下擴散混溶(圖1),二者協(xié)同,促使了大尺寸水溶液液滴在水表面的自發(fā)鋪展。該工作以“Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation”為題發(fā)表在《Nature Communications》上(Nat. Commun. 13, 3227, 2022.)。文章第一作者是華中科技大學化學與化工學院2020屆碩士畢業(yè)生湯思晗,合作單位包括華中科技大學材料科學與工程學院,協(xié)和醫(yī)院。該研究得到國家自然科學基金的支持。

 

1受皮膚分化過程啟發(fā)的水-水鋪展與聚電解質膜制備機制


  當水溶液液滴與水接觸時,液滴會快速向水中發(fā)生擴散與混溶,而非鋪展。因此,實現(xiàn)水溶液液滴在水面鋪展的關鍵是抑制水溶液向水下的擴散與混溶。為此,作者設計了PEI-PSSNa和混合溶液,其pH為堿性。當該溶液液滴與酸性水接觸時,水中含有的大量質子促使PEI高分子鏈上的氨基迅速質子化,隨后帶正電的PEIPSSNa在水溶液和水的界面上發(fā)生靜電絡合,有效抑制了溶液向水中的擴散與混溶。與此同時,PEI-PSSNa的表面張力比水低,液滴因此在水表面可自發(fā)鋪展,而非混合。 


2 pH值對聚電解質多孔膜微觀結構的調(diào)控


  該工作系統(tǒng)研究了表面張力和pH聚電解質在界面自組裝行為以及多孔膜微觀形貌、宏觀尺寸的影響(圖23)。研究表明,聚電解質膜孔的形成機制與制備傳統(tǒng)聚合物多孔膜的非溶劑相分離(Non-solvent induced phase separation, NIPS)有類似之處,均為相分離致孔。其區(qū)別在于本工作通過靜電絡合誘發(fā)相分離致孔,無需有機溶劑作為非溶劑。此外,本方法無需表面活性劑或降低液滴尺寸,簡化了水-水自發(fā)鋪展和多孔膜的制備過程,適用于多種聚電解質和納米材料,擴大了相溶界面材料組裝的應用范圍。通過該方法制備的多孔聚電解質-碳材料復合膜在1個太陽的照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)脫鹽性能(2.8 kg/m2h)。 


3 表面張力對聚電解質水溶液在水表面鋪展的影響


  該工作是團隊近期關于聚電解質膜相關研究的最新進展之一,提出了聚電解質水溶液在水表面自發(fā)鋪展和組裝成膜的新機制,為聚合物在界面自組裝的微觀結構調(diào)控以及在膜分離、脫鹽等領域應用提供了新思路。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30973-6
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(責任編輯:xu)
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