這篇題為“納米級裂縫可調節(jié)的自增濕膜”（“Nanocrack-regulated self-humidifying membranes”）的研究論文是邁克爾教授與韓國漢陽大學李永墨（Young Moo Lee音譯）教授合作完成的。研究圍繞離子交換膜在高溫低濕狀態(tài)下由于膜失水而導致的離子電導率大幅降低的科學難題，從納米級可調節(jié)裂縫疏水涂層進行膜表面改性的基本理論出發(fā)，成功制備了高溫低濕條件下具有高離子電導率的自保濕碳氫聚合物離子交換膜。
a. 吸水/失水過程中自控調節(jié)的納米裂縫疏水涂層；b. 等離子噴涂疏水層前后膜吸水溶脹及失水收縮后的納米裂縫原子力顯微鏡相圖；c. 吸水和失水條件下納米級表面涂層的自調節(jié)驗證對比圖
聚合物膜在離子導電、水過濾、反向電滲析發(fā)電、能量儲存與轉換以及液流電池領域具有重要的應用。由于聚合物電解質膜的含水量直接影響著膜內離子的傳輸行為，大多數(shù)應用都要求膜在相對干燥的條件下仍具有一定的保濕能力。因此膜內水含量的可調節(jié)性在質子交換膜燃料電池和反向電滲析應用中尤其重要。研究者往往通過外部增濕系統(tǒng)來保證高溫條件下膜的保水能力，但是整體上增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，也成為多年來制約工業(yè)界質子交換膜燃料電池規(guī)模化應用的技術瓶頸之一。為了改善高溫低濕條件下由于膜內水分減少導致電導率下降的世界性科學難題，近幾十年來，科學家們試圖從調整聚合物高分子的化學結構、微觀形貌甚至大分子的鏈段組成來實現(xiàn)膜內親疏水特性的完美結合，但最終并沒有從根本上解決高溫下膜保水能力大幅下降的問題。
邁克爾教授等研究者開創(chuàng)性地提出了一種無需外增濕系統(tǒng)的智能自調節(jié)保水膜表面改性方法，該方法可應用于任何離子交換膜的表面改性。通過在膜表面噴涂具有疏水性的納米級涂層，利用膜本身在吸水后的膨脹和失水后的收縮特性實現(xiàn)高保水能力。高濕度時，膜膨脹將疏水涂層撐開，形成較寬的納米級裂縫，從而保證水和離子的傳輸通道暢通，此時涂層為開放涂層，水和離子可同時在膜內部及納米裂縫中間自由傳輸；低濕度時，膜收縮將疏水涂層裂縫閉合，起到將膜內部的水封閉的作用，此時涂層為封閉涂層，納米級裂縫充當了阻止膜內部的水分進一步蒸發(fā)流失的“納米級閥門”角色。實驗證明，這種先進的設計顯著提高了離子交換膜在高溫低濕環(huán)境中的離子傳輸能力。
這種巧妙的膜表面改性設計理念得到了國際著名學者的廣泛關注和好評。美國得克薩斯大學奧斯汀分校德克薩斯材料研究所、能源和環(huán)境資源中心的著名學者約萬凱莫斯（Jovan Kamcev音譯）和本尼弗里曼（Benny D. Freeman音譯）在《自然》同期“研究新聞評論”（“Research News & Views”）中對于邁克爾等人的文章進行了點評，指出該“有裂縫的涂層防止膜在低濕干燥條件下的失水——是需要保濕膜的燃料電池裝置的福音”。同時強調：“該膜在這種低濕度時控制離子交換膜脫水，突破了限制膜性能的科學瓶頸，是一項強有力的技術方法”。并指出：“此項技術將為應用在各種領域的高性能膜材料的進步起到重要的貢獻”。
文章鏈接：www.nature.com/nature/journal/v532/n7600/full/nature17634.html
