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华中大赵强教授课题组《Nat. Commun.》:水-水界面铺展与膜形成
2022-06-14  来源:高分子科技

  18世纪中期,富兰克林发现油滴可以在水表面铺展。随后,非水溶性溶剂与水之间的液-液界面成为了进行化学反应和组装的重要场所,启发了包括Langmuir-Blodgett单分子膜等经典技术的诞生。与此相对,水溶性溶剂液滴与水接触时,一般发生混溶而非铺展。采用高压电喷雾技术降低水溶性有机溶剂液滴的尺寸,可以实现水溶性溶剂微液滴在水面上的铺展,表明相溶的溶剂之间的界面可为分子组装和合成提供新平台(Huang et al., JACS 2015, 137, 10683.)。但如何在简易条件下实现大尺寸水溶液液滴在水表面的铺展仍然有待解决。


  近期,华中科技大学化学化工学院赵强教授团队受到皮肤形成过程中pH驱动-液相分离现象的启发,报道了一种聚电解质水溶液在水表面自发铺展,并形成多孔薄膜的机制。本工作中将含有聚乙烯亚胺(PEI)和苯乙烯磺酸钠(PSSNa)的混合水溶液在酸性水表面铺展形成多孔聚电解质膜,混合溶液的低表面张力驱动液滴在水面的铺展,而低pH的水引发聚电解质在铺展界面快速络合,减少液滴向水下扩散混溶(图1),二者协同,促使了大尺寸水溶液液滴在水表面的自发铺展。该工作以“Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation”为题发表在《Nature Communications》上(Nat. Commun. 13, 3227, 2022.)。文章第一作者是华中科技大学化学与化工学院2020届硕士毕业生汤思晗,合作单位包括华中科技大学材料科学与工程学院,协和医院。该研究得到国家自然科学基金的支持

 

1受皮肤分化过程启发的水-水铺展与聚电解质膜制备机制


  当水溶液液滴与水接触时,液滴会快速向水中发生扩散与混溶,而非铺展。因此,实现水溶液液滴在水面铺展的关键是抑制水溶液向水下的扩散与混溶。为此,作者设计了PEI-PSSNa和混合溶液,其pH为碱性。当该溶液液滴与酸性水接触时,水中含有的大量质子促使PEI高分子链上的氨基迅速质子化,随后带正电的PEIPSSNa在水溶液和水的界面上发生静电络合,有效抑制了溶液向水中的扩散与混溶。与此同时,PEI-PSSNa的表面张力比水低,液滴因此在水表面可自发铺展,而非混合。 


2 pH值对聚电解质多孔膜微观结构的调控


  该工作系统研究了表面张力和pH聚电解质在界面自组装行为以及多孔膜微观形貌、宏观尺寸的影响(图23)。研究表明,聚电解质膜孔的形成机制与制备传统聚合物多孔膜的非溶剂相分离(Non-solvent induced phase separation, NIPS)有类似之处,均为相分离致孔。其区别在于本工作通过静电络合诱发相分离致孔,无需有机溶剂作为非溶剂。此外,本方法无需表面活性剂或降低液滴尺寸,简化了水-水自发铺展和多孔膜的制备过程,适用于多种聚电解质和纳米材料,扩大了相溶界面材料组装的应用范围。通过该方法制备的多孔聚电解质-碳材料复合膜在1个太阳的照射下表现出优异的蒸发脱盐性能(2.8 kg/m2h)。 


3 表面张力对聚电解质水溶液在水表面铺展的影响


  该工作是团队近期关于聚电解质膜相关研究的最新进展之一,提出了聚电解质水溶液在水表面自发铺展和组装成膜的新机制,为聚合物在界面自组装的微观结构调控以及在膜分离、脱盐等领域应用提供了新思路


  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30973-6
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(责任编辑:xu)
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