油滴在水表面鋪展成膜是18世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的一個(gè)經(jīng)典現(xiàn)象，啟發(fā)了界面反應(yīng)、Langmuir-Blodgett單分子膜等技術(shù)的誕生。與此相對(duì)，水溶性溶劑液滴與水接觸時(shí)，并不能形成穩(wěn)定界面，一般發(fā)生混溶而非鋪展。采用高壓電噴霧技術(shù)降低有機(jī)溶劑液滴的尺寸，可實(shí)現(xiàn)溶劑微液滴在水面上的鋪展，表明相溶溶劑之間的動(dòng)態(tài)界面可為分子組裝和化學(xué)合成提供新平臺(tái)（Huang et al., JACS 2015, 137, 10683.）。但如何更簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)大尺寸水溶液液滴在水表面的鋪展仍是一個(gè)難題。
近期，趙強(qiáng)教授課題組在《Nature Communications》在線刊發(fā)了該領(lǐng)域的新進(jìn)展（Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation, Nat. Commun. 13, 3227, 2022.），提出了一種聚電解質(zhì)水溶液在水面自發(fā)鋪展，形成多孔膜的機(jī)制。文章第一作者是化學(xué)與化工學(xué)院2020屆碩士畢業(yè)生湯思晗，合作單位包括華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，協(xié)和醫(yī)院。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和三峽實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金的支持。
圖1受皮膚分化過(guò)程啟發(fā)的水-水鋪展與聚電解質(zhì)膜制備機(jī)制
含有聚乙烯亞胺（PEI）和聚苯乙烯磺酸鈉（PSSNa）的水溶液滴在水表面自發(fā)鋪展成膜（圖1，圖2）。一般而言，水溶液液滴與水接觸時(shí)首先發(fā)生向水中的擴(kuò)散與混溶，而非鋪展。為了抑制水-水?dāng)U散與混溶，作者設(shè)計(jì)了PEI-PSSNa和混合溶液，其pH為堿性。當(dāng)該溶液液滴與酸性水接觸時(shí)，水中含有的大量質(zhì)子促使PEI高分子鏈上的氨基質(zhì)子化，隨后帶正電的PEI與PSSNa在水-水界面上發(fā)生靜電絡(luò)合，有效抑制了溶液向水中的擴(kuò)散與混溶。與此同時(shí)，PEI-PSSNa的表面張力比水低，液滴因此在水表面可自發(fā)鋪展，而非混合。二者協(xié)同，促使了水溶液液滴在水面進(jìn)行自發(fā)鋪展。
圖2 pH值對(duì)聚電解質(zhì)多孔膜微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控
該工作研究了表面張力和pH對(duì)聚電解質(zhì)的組裝行為和多孔膜微結(jié)構(gòu)、宏觀尺寸的影響（圖3）。本方法無(wú)需表面活性劑或降低液滴尺寸，簡(jiǎn)化了水-水自發(fā)鋪展和多孔膜的制備過(guò)程，適用于多種聚電解質(zhì)和納米材料，擴(kuò)大了相溶界面材料組裝的應(yīng)用范圍。通過(guò)該方法制備的多孔聚電解質(zhì)-碳材料復(fù)合膜在1個(gè)太陽(yáng)的照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的水蒸發(fā)脫鹽性能（2.8 kg/m2h）。該工作提出了聚電解質(zhì)水溶液在水表面自發(fā)鋪展和組裝成膜的新機(jī)制，為聚合物在界面自組裝的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控以及在膜分離、脫鹽等領(lǐng)域應(yīng)用提供了新思路。
圖3 表面張力對(duì)聚電解質(zhì)水溶液在水表面鋪展的影響
