特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。膜被广泛用于海水淡化、电池和透析等应用中的分离过程，大多数技术开发的膜都是基于固体聚合物并充当被动屏障，其传输特性受其化学成分和纳米结构控制。尽管这种膜无处不在，但事实证明，要实现独立地最大化选择性和渗透性具有挑战性。自组装生物膜的屏障和传输功能是分离的，为解决这一问题提供了灵感。磷脂是天然膜的分子构件，但当其面积超过1平方毫米时，它们的组装会变得越来越不稳定，如果没有固体支撑，独立BCP膜的最大可实现面积也限制在平方毫米范围内。 基于此，瑞士弗里堡大学阿道夫·默克尔研究所Alessandro Ianiro、Michael Mayer等人介绍了一种自组装策略，该策略使用水相系统的界面来模板化和稳定分子薄（约35 nm）的仿生嵌段共聚物双层，其可扩展面积可以超过10 cm2且没有缺陷。这些膜具有自修复功能，其阻挡离子通过的屏障功能（比电阻约为1 MΩ cm2）接近磷脂膜。这些膜的流动性使其能够直接与分子载体功能化，这些分子载体以比钠离子更精确的选择性沿浓度梯度运送钾离子。这种离子选择性使得能够在模拟电鳐发电器的设备中从等摩尔的NaCl和KCl溶液中产生电能。
溶剂置换法
作者利用BCP会在界面处聚集的热力学驱动力来控制二维BCP自组装，并通过两相系统之间的界面来稳定所得膜。设计了一种两步模板策略，该策略基于从两个水相的界面置换水不混溶有机溶剂来驱动界面组装，证实了ATPS界面的基本稳定作用。此外，作者使用各种水不混溶有机溶剂应用了溶剂置换法，证实了该方法的通用性。 溶剂置换法可以形成表面积至少为10 cm2的ATPS 稳定膜，比用折叠法制备的最大双层膜大三个数量级，也是迄今为止报道的最大的独立自组装双层膜。ATPS稳定的膜对表面积没有明显的依赖性，其平均厚度为d≅ 35 nm，比电阻超过0.1 MΩ cm2，稳定性可持续数小时才会自发破裂。荧光共振能量转移实验证实膜是不对称的，两个 BCP 以不同的比例分配到双层的两侧，这些大面积 ATPS稳定膜的机械性能与细胞膜相当。ATPS支撑的膜对带电有机染料的通过提供了出色的屏障功能，并且具有在100 µm长度范围内自我修复重复机械损伤的能力。 图 由BCP1和BCP2组成的ATPS支撑膜的表征生物膜不仅仅是屏障，它们可以独特的选择性和效率控制特定化合物的运输。作者通过加入选择性离子转运蛋白缬氨霉素赋予了ATPS支撑的大面积膜相同的功能。通过修改ATPS，在膜上引入了离子浓度梯度，测试了缬氨霉素与BCP 的各种摩尔比，发现缬氨霉素的加入会导致膜电阻逐渐降低，并出现电位和电流偏移，表明ATPS 支持的BCP膜是流体，因为离子载体可以在其疏水核心中自由扩散以穿梭离子，并且它们可以转化为宏观离子选择性膜。受电鳐的启发，作者设计了一种小型发电机，利用 ATPS 的独特功能将多个离子选择性膜串联电堆叠。该装置的基本单元由两个ATPS组成，它们通过富含 KCl的水凝胶桥通过DEX相进行离子连接，实验证实了该装置的电位差源自附加跨膜电位。通过求解Goldman-Hodgkin-Katz方程，确定缬氨霉素掺杂的膜对K+的渗透选择性大约是Na+的八倍。Sproncken, C.C.M., Liu, P., Monney, J. et al. Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07481-2
