Adv. Mater. 中国科学院大学制备出不对称多功能非均匀膜

【引言】

生物离子通道能对外界刺激做出响应，在生物进程中起到关键作用。瞬时受体电位香草醛1型能对很多物理和化学刺激做出响应。它能被高温活化，或者在酸性条件下活化，从而导致离子导电和依赖电压的整流产生变化，形成疼痛感。不同的不对称的离子通道对多种刺激敏感，能允许离子通道做出更聪明的调节，为实现细胞功能打下基础。这些生物纳米通道似乎能很好地应用在很多方面，例如：生物传感、分子分离和能量转换。由于脂双层脆弱、敏感，因此用更坚硬的人工膜复制这些独特的离子传输行为已经引起了广泛的关注。

由于非均匀膜能简单地模仿细胞功能，并且性能优异，因此引起了广泛的关注。很多文献报道了非均匀膜，但它只能对一种内部刺激做出响应，可控性和功能性差。如何让它智能化，能对多种刺激敏感，并且具有优异的可控性，这依然是一项挑战。

【成果简介】

近期，中国科学院大学闻利平教授利用不对称的化学蚀刻技术，使用N,N-二甲氨酸乙酯和苯乙烯的共聚物以及PET膜，制备出不对称的多功能非均匀膜。它能对多种刺激做出响应，具有高性能的离子整流、高效的阳离子门控特性、优异的稳定性和可控性，在很多领域具有广泛的应用前景，例如：生物传感、水的净化和可持续的发电。

【图文简介】

图1 不对称的多功能非均匀膜的制备过程

图a (1)PET膜的离子径迹通过不对称的化学蚀刻技术转化为圆锥形的纳米通道(2)N,N-二甲氨酸乙酯和苯乙烯的嵌段共聚物(PS-b-PDMAEMA)的二氧六环溶液旋涂在PET膜上，通过微相分离形成具有指纹表面结构的非均匀膜(3)非均匀膜在60℃乙醇里溶胀2小时(4)浸没后，非均匀膜室温下晾干来蒸发乙醇。

图b PDMAEMA的电荷、润湿性和空间构型可以通过pH和温度来调节。

图c PET纳米通道的内壁的羧基也对pH敏感。

图2 PET膜形成新的表面的过程的表征

图a和图b分别是PS-b-PDMAEMA薄膜表面在PET膜形成新的表面之前和之后的扫描电镜图像（比例尺都是200nm）。

图c和图d分别是PS-b-PDMAEMA薄膜横截面在PET膜形成新的表面之前和之后的扫描电镜图像（比例尺都是200nm）。

图e是由溶胀引起的形成新的PET膜表面的过程的机理图，绿色的椭圆体代表乙醇。

图3 pH和温度对离子整流行为的影响

图a是在0.1摩尔的KCl的溶液(pH≈ 4.5)下记录的纯PET膜的电流-电压曲线。

图b是在图a的条件下PET膜在PS-b-PDMAEMA的二氧六环溶液涂布和形成新的PET膜表面后的电流-电压曲线。

图c表明形成新的PET膜表面后电解液的浓度对离子电导的影响。

图d和图e分别是从25 °C到65 °C不同温度下非均匀膜在形成新的表面之前（Membrane-1）和之后（Membrane-2）的电流-电压曲线。

图f表明Membrane-1和Membrane-2的温度对整流比的影响。

图4 高效的阳离子门控特性

图a是当PS-b-PDMAEMA的二氧六环溶液底部的pH从2变到9时PET膜的电流-电压曲线（阳极在底部，顶部的pH保持在9）。

图b是当PET一侧的pH从2变到9时非均匀膜在形成新的表面后的电流-电压曲线（阳极也在底部，PS-b-PDMAEMA一侧的pH保持在9，测试用的电解液溶液是0.1mol/L KCl的溶液）。

图c是阳离子门控行为的原理图。钾离子的选择性传输是电势和润湿性的变化的协同效应。

图5  pH和温度配合调节阳离子门控

图a和图b分别是当温度从25℃升到65℃时Membrane-1和Membrane-2的电流电压曲线（电解液是0.1mol/L KCl的溶液）。

图c表明高效阳离子门控行为的稳定性和响应转换性。

【小结】

研究者通过把嵌段共聚物PS-b-PDMAEMA和经过化学蚀刻技术处理的PET膜结合起来，制备出新型的不对称的多功能非均匀膜。他还发现制备过程中最后两步对这种膜能对多种刺激做出响应起到关键的作用，并且为功能性嵌段共聚物在未来的使用提供了重要的指导。很多智能设备可以采用这种膜，从而在诸如生物传感、能量转换、过滤这些方面得到应用。

文献链接：Asymmetric Multifunctional Heterogeneous Membranes for pH- and Temperature-Cooperative Smart Ion Transport Modulation（Adv. Mater., 2016, DOI:10.1002/adma.201602758）

本文由材料人编辑部高分子组kv1004供稿，材料牛编辑整理。

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