Adv. Mater. 中國科學院大學制備出不對稱多功能非均勻膜

【引言】

生物離子通道能對外界刺激做出響應，在生物進程中起到關鍵作用。瞬時受體電位香草醛1型能對很多物理和化學刺激做出響應。它能被高溫活化，或者在酸性條件下活化，從而導致離子導電和依賴電壓的整流產生變化，形成疼痛感。不同的不對稱的離子通道對多種刺激敏感，能允許離子通道做出更聰明的調節，為實現細胞功能打下基礎。這些生物納米通道似乎能很好地應用在很多方面，例如：生物傳感、分子分離和能量轉換。由于脂雙層脆弱、敏感，因此用更堅硬的人工膜復制這些獨特的離子傳輸行為已經引起了廣泛的關注。

由于非均勻膜能簡單地模仿細胞功能，并且性能優異，因此引起了廣泛的關注。很多文獻報道了非均勻膜，但它只能對一種內部刺激做出響應，可控性和功能性差。如何讓它智能化，能對多種刺激敏感，并且具有優異的可控性，這依然是一項挑戰。

【成果簡介】

近期，中國科學院大學聞利平教授利用不對稱的化學蝕刻技術，使用N,N-二甲氨酸乙酯和苯乙烯的共聚物以及PET膜，制備出不對稱的多功能非均勻膜。它能對多種刺激做出響應，具有高性能的離子整流、高效的陽離子門控特性、優異的穩定性和可控性，在很多領域具有廣泛的應用前景，例如：生物傳感、水的凈化和可持續的發電。

【圖文簡介】

圖1 不對稱的多功能非均勻膜的制備過程

圖a (1)PET膜的離子徑跡通過不對稱的化學蝕刻技術轉化為圓錐形的納米通道(2)N,N-二甲氨酸乙酯和苯乙烯的嵌段共聚物(PS-b-PDMAEMA)的二氧六環溶液旋涂在PET膜上，通過微相分離形成具有指紋表面結構的非均勻膜(3)非均勻膜在60℃乙醇里溶脹2小時(4)浸沒后，非均勻膜室溫下晾干來蒸發乙醇。

圖b PDMAEMA的電荷、潤濕性和空間構型可以通過pH和溫度來調節。

圖c PET納米通道的內壁的羧基也對pH敏感。

圖2 PET膜形成新的表面的過程的表征

圖a和圖b分別是PS-b-PDMAEMA薄膜表面在PET膜形成新的表面之前和之后的掃描電鏡圖像（比例尺都是200nm）。

圖c和圖d分別是PS-b-PDMAEMA薄膜橫截面在PET膜形成新的表面之前和之后的掃描電鏡圖像（比例尺都是200nm）。

圖e是由溶脹引起的形成新的PET膜表面的過程的機理圖，綠色的橢圓體代表乙醇。

圖3 pH和溫度對離子整流行為的影響

圖a是在0.1摩爾的KCl的溶液(pH≈ 4.5)下記錄的純PET膜的電流-電壓曲線。

圖b是在圖a的條件下PET膜在PS-b-PDMAEMA的二氧六環溶液涂布和形成新的PET膜表面后的電流-電壓曲線。

圖c表明形成新的PET膜表面后電解液的濃度對離子電導的影響。

圖d和圖e分別是從25 °C到65 °C不同溫度下非均勻膜在形成新的表面之前（Membrane-1）和之后（Membrane-2）的電流-電壓曲線。

圖f表明Membrane-1和Membrane-2的溫度對整流比的影響。

圖4 高效的陽離子門控特性

圖a是當PS-b-PDMAEMA的二氧六環溶液底部的pH從2變到9時PET膜的電流-電壓曲線（陽極在底部，頂部的pH保持在9）。

圖b是當PET一側的pH從2變到9時非均勻膜在形成新的表面后的電流-電壓曲線（陽極也在底部，PS-b-PDMAEMA一側的pH保持在9，測試用的電解液溶液是0.1mol/L KCl的溶液）。

圖c是陽離子門控行為的原理圖。鉀離子的選擇性傳輸是電勢和潤濕性的變化的協同效應。

圖5? pH和溫度配合調節陽離子門控

圖a和圖b分別是當溫度從25℃升到65℃時Membrane-1和Membrane-2的電流電壓曲線（電解液是0.1mol/L KCl的溶液）。

圖c表明高效陽離子門控行為的穩定性和響應轉換性。

【小結】

研究者通過把嵌段共聚物PS-b-PDMAEMA和經過化學蝕刻技術處理的PET膜結合起來，制備出新型的不對稱的多功能非均勻膜。他還發現制備過程中最后兩步對這種膜能對多種刺激做出響應起到關鍵的作用，并且為功能性嵌段共聚物在未來的使用提供了重要的指導。很多智能設備可以采用這種膜，從而在諸如生物傳感、能量轉換、過濾這些方面得到應用。

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

本文由材料人編輯部高分子組kv1004供稿，材料牛編輯整理。

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