生命體中細(xì)胞膜通過(guò)調(diào)控自適應(yīng)門(mén)控通道實(shí)現(xiàn)多組分的可控傳輸。面向復(fù)雜的分子/離子混合體系（如高鹽含量的印染廢水體系），開(kāi)發(fā)具有仿生自適應(yīng)門(mén)控功能的人造膜，對(duì)于多組分的智能分離和回收利用有重要意義。常規(guī)方法通過(guò)在通道壁面接枝各種響應(yīng)性聚合物鏈段，依賴(lài)聚合物鏈段對(duì)通道的阻塞程度實(shí)現(xiàn)通道門(mén)控功能。然而，這通常會(huì)帶來(lái)較大的通道傳質(zhì)阻力和較寬的通道尺寸分布，難以兼具高門(mén)控響應(yīng)和高分離效率。

最近，張夢(mèng)辰和劉長(zhǎng)宇課題組設(shè)計(jì)了一種具有仿生自適應(yīng)門(mén)控功能的智能pH響應(yīng)二維材料膜（Adaptive Gating Enhances Intelligent Membranes for Cellular Functions and Precise Separations, Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202310647）。受到生物通道蛋白構(gòu)象變化控制通道門(mén)控開(kāi)關(guān)的現(xiàn)象啟發(fā)，在二維氧化石墨烯（GO）膜層間通道嵌入仿生物通道蛋白的兩性離子化聚多巴胺（ZPDA）軟分子聚集體。由于豐富的界面結(jié)合作用，ZPDA與GO納米片有序自組裝，作為膜層間柔性間隔物和穩(wěn)定劑。更重要的是，ZPDA的自聚合與兩性離子化特性賦予其pH敏感的構(gòu)象與電荷響應(yīng)性。堿性條件下ZPDA緊密聚合并去質(zhì)子化；酸性條件下ZPDA部分解離并質(zhì)子化。ZPDA的這種pH響應(yīng)的自適應(yīng)變化使得GO/ZPDA膜通道的空間結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)可以根據(jù)外部pH信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，基于機(jī)械屏障和電荷屏障的雙重機(jī)制，實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)的離子滲透性和選擇性。

圖1 具有仿生自適應(yīng)門(mén)控功能的智能pH響應(yīng)二維GO膜示意圖

圖2 ZPDA軟分子聚集體控制GO/ZPDA膜通道的空間結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)

圖3 智能GO/ZPDA膜表現(xiàn)出可編程的分離性能，可實(shí)現(xiàn)染料和鹽混合物的定制分離，助力高鹽含量的印染廢水處理回用

該項(xiàng)研究工作為自適應(yīng)門(mén)控通道和智能二維材料膜的設(shè)計(jì)構(gòu)建提供了新策略，并且在離子提取、超級(jí)電容器、傳感器、催化劑和微/納流控器件等領(lǐng)域中都有著潛在的應(yīng)用。該研究工作得到了昆士蘭大學(xué)張西旺教授和廣東工業(yè)大學(xué)張山青教授的指導(dǎo)協(xié)助。（來(lái)源：高分子科學(xué)前沿）