据高分子科学前沿微信公众平台2019年2月19日讯 智能调控物质通过多孔薄膜在膜领域有着重要的应用。近些年来，可响应不同外场刺激的智能纳米门控薄膜，已被成功制备并在膜分离领域表现出优异的性能。氧化石墨烯（GO）膜，具有独特的二维纳米传质通道，因此展现出快速水传输特性，并对分子有较高的选择率。北京航空航天大学化学学院赵勇教授课题组近些年来在仿生分离膜用于多相液体与分子分离领域中取得了一系列的进展（Review: Sci. China. Chem., 2019, 62, 14）。在前期石墨烯分离膜工作中（Nat. Commun., 2017, 8, 2011），他们受植物气孔启发，制备了“高温闭孔，低温开孔”的仿生GO膜，在纳滤尺度表现出优异的分离性质。近日，在该工作基础上，团队通过简单调控温度响应聚合物在GO上的接枝密度，制备了具有正/负可逆门控规律的温度响应GO膜。进一步地，研究人员将具有相反门控性质的GO膜结合在一起，设计了一种具有自适应性的流体控制系统，在智能分离、流体可控输运中均表现出优异的性质。相关成果以《Thermoresponsive Graphene Membranes with Reversible Gating Regularity for Smart Fluid Control》为题，发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201808501)，北京航空航天大学卓越百人博士后刘敬崇博士为该论文第一作者。
作者通过传统自由基聚合反应将温敏聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺，即PNIPAM）与GO共价连接，通过调控实验参数，制备了具有不同PNIPAM接枝密度的GO/PNIPAM复合物。将复合物水分散液压滤得到薄膜后发现，在低接枝密度下，GO膜表现为正温度响应性，即温度升高，通量增大；而在高接枝密度下，GO膜则表现为负温度响应性，即温度升高，通量减小（图1）。
图1．调控PNIPAM接枝密度制备具有可逆门控规律的仿生GO膜。
作者通过实验表征和DFT计算手段对GO膜可逆温度响应规律的机理进行了探讨。他们认为当PNIPAM接枝密度较低时，PNIPAM链在GO片层上主要呈平铺形式，温度升高时PNIPAM链收缩，暴露出更多的流体通道，从而使GO膜表现为正温度响应性质；而当PNIPAM接枝密度较高时，在空间位阻效应下，PNIPAM链直立于GO片层间，温度升高时相邻的PNIPAM链更易形成分子间的氢键，减小了通道尺寸，从而使GO膜表现为负温度响应性质（图2）。
图2．GO膜具有可逆门控响应规律的机理分析。
进而，作者通过协同具有相反门控性质的两种温度响应GO膜，设计了一种具有自适应性的流体系统，可以实现分子的智能分离与流体的智能传输（图3）。
图3．具有自适应性的智能流体系统。
该项研究为设计新型的智能流体系统提供了新思路，并且在化工生产、水处理和微/纳流控芯片等领域中都有着潜在的应用。
该工作通过简单调控聚合物在GO上的接枝密度，制备了具有可逆门控规律的石墨烯膜器件，打破了传统门控器件只具有单一响应规律的限制，为下一代仿生门控薄膜的设计制备提供了指导和借鉴。该研究工作得到了国家自然科学基金、中组部万人计划青年拨尖人才的支持。论文计算方面得到了澳洲国立大学于利娟博士和西澳大学Amir Karton教授的协助。
