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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,富蘭克林發現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,啟發了包括Langmuir-Blodgett單分子膜等經典技術的誕生。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-液相分離現象的啟發,報道了一種聚電解質水溶液在水表面自發鋪展,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),二者協同,促使了大尺寸水溶液液滴在水表面的自發鋪展。該工作以“Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation”為題發表在《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,協和醫院。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生擴散與混溶,而非鋪展。因此,實現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鋪展,而非混合。 


2 pH值對聚電解質多孔膜微觀結構的調控


  該工作系統研究了表面張力和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。其區別在于本工作通過靜電絡合誘發相分離致孔,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出優異的蒸發脫鹽性能(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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