從動(dòng)態(tài)生物離子通道中汲取靈感，研究人員開發(fā)了各種具有響應(yīng)性納米通道的人造膜。通常，這些膜通過操縱本征層內(nèi)表面的響應(yīng)層來改變質(zhì)量傳遞行為。在這項(xiàng)研究中，構(gòu)建了由碳化鈦 MXene 和聚（N-異丙烯酰胺）組成的二維層狀膜，通過調(diào)整納米通道微環(huán)境實(shí)現(xiàn)雙級(jí)可調(diào)節(jié)納米通道。這些二維納米通道的大小可以通過熱響應(yīng)聚合物層和可能發(fā)生自發(fā)氧化的本征 MXene 層來改變。多水平調(diào)節(jié)策略大大提高了 MXene 分離膜的分子選擇性，進(jìn)一步應(yīng)用于多分子的精確梯度分離。這一進(jìn)步展示了響應(yīng)納米通道技術(shù)的多功能性和變革能力，為不同領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
Fig 1. 雙調(diào)控的熱響應(yīng)MXene基智能分離膜用于多種分子精確梯度分離。
Fig 2. 通過改變熱響應(yīng)性 PNIPAM 的配置進(jìn)行納米通道調(diào)節(jié)的 PMM。Ti
3C
2T
x MXene 粉末
的 SEM 圖像，具有松散堆疊的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)，具有分裂層。比例尺 = 2 μm。
b 單層 MXene 納米片的 TEM 圖像。比例尺為 1 μm。
MXene 納米片的 c AFM 圖像，展示了 Ti
3C
2T
x 粉末的有效剝離。比例尺 = 200 nm。
d 左：PNIPAM 插層 MXene 分散的 Tyndall 散射效應(yīng)，表明納米復(fù)合材料具有良好的分散性。右上圖是 PMM 在基板上的數(shù)碼照片。右下角是獨(dú)立的 PMM。比例尺為 20 毫米。北京科技大學(xué)徽章的圖像允許北京科技大學(xué)使用。
e PMM 的橫截面 SEM 圖像，顯示堆疊微觀結(jié)構(gòu)。比例尺為 1 μm。
f 膜形成過程中濾液的總有機(jī)碳分析。
x MXene 和 PMM 的 TGA 表征。
h，i MXene 和 PMM 在 25 °C 和 50 °C 下對(duì)各種分子的排斥率，表明 PMM 的納米通道可以由熱響應(yīng) PNIPAM 層調(diào)節(jié)。
Fig 3. 具有不同 TiO
2 原子分?jǐn)?shù)的 PMM 的表征。
a NIPAM 在 Ti
3C
2O
2、銳鈦礦 TiO
2 和無定形 C 上的優(yōu)化最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型，其中吸附能分別為 -41.8、-25.5 和 -10.3 kJ
mol-1。
b 所有考慮的吸附構(gòu)型的相應(yīng)吸附能，表明 NIPAM 對(duì) Ti
3C
2O
2 的吸附能明顯高于銳鈦礦 TiO
2 和無定形 C 上的吸附能。
C-F TiO
2-PMM 的核能級(jí) Ti 2p 光譜，TiO
2 原子分?jǐn)?shù)為 3.2%、18.0%、32.4% 和 59.7%。
Fig 4. 通過熱響應(yīng) PNIPAM 層的構(gòu)型變化和本征 MXene 層上的
原位 TiO
2 形成來調(diào)節(jié)納米通道。
A-DTiO
2 的 2D SAXS 圖像-PMM，TiO
2 分?jǐn)?shù)范圍為 3.2% 至 59.7%。赤道方向的兩個(gè)強(qiáng)擴(kuò)散點(diǎn)表明，TiO
2 的形成對(duì) TiO
2-PMM 中 MXene 納米片的取向程度影響不大。
e TiO
2-PMMs 的方位角 （φ） 圖，TiO
2 分?jǐn)?shù)從 3.2% 到 59.7% 不等。
f TiO 2-PMM 的取向順序參數(shù) （
f） 圖（黑線、綠線、紅線和藍(lán)線分別指 3.2%、18.0%、32.4% 和 59.7% TiO
2-PMM）。
g MXene 和 TiO
2-PMM 的拉曼光譜。
h MXene 氧化過程的示意圖。
i 部分氧化的 MXene 膜表面的 SEM 圖像。比例尺為 2 μm。
j、k TiO
2-PMMs 在 25 °C 和 50 °C 下對(duì)各種分子的截留率，表明本征層的組成變化也可以調(diào)節(jié)納米通道。
l 混合進(jìn)料溶液的紫外-可見光譜在 25 °C 和 50 °C 時(shí)滲透，在 50 °C 時(shí)截留。
Fig 5. 通過 MXene 基膜的水滲透的 MD 模擬。
a-c三組水滲透系統(tǒng)（MXene、PMM-II 和 18% TiO
2-PMM）在 1、2、5 和 10 ns 處的模擬快照。
d 滲透穿過檢查膜的水分子的比例。
相關(guān)研究工作由北京航空航天大學(xué)Yong Zhao聯(lián)合北京科技大學(xué)Cunhai Wang和Jingchong Liu 于2024年在線發(fā)表在《Nano Letters》上，Tuning Nanochannel Microenvironments of a Thermoresponsive MXene Membrane for Mixed Molecule Gradient Separation，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03606
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
