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手性放大!浙江工业大学发明“最强石墨烯膜之王”
高分子科学前沿 / 时间:2020-08-19 22:07:10

新材料在线8月19日讯:手性是自然界的基本属性,其本意为一个物体不能与其镜像相重合,如同我们的双手,左手与互成镜像的右手不重合。对手性的研究,在造就工业奇迹的同时,也启发了人类对地球生命、甚至宇宙起源的新认知。由于手性广泛地存在于自然界中,其不仅可用于制药、香精和甜味剂等化学行业(2001年度获诺贝尔化学奖),还可以神奇地与各种新材料结合,在高分子薄膜材料的合成制备中起到意想不到的妙用。

虽然石墨烯材料被公认为是世界最坚固材料之一、氧化石墨烯(GO)膜在分离科学与技术中也显示了巨大潜力,但其遇水等介质后,由于静电排斥作用非常容易发生堆叠的GO片层再分散和剥离现象,极大地限制了其实际应用。为解决该国际性难题,近日,浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院张国亮教授团队利用手性放大自然原理,创新性地研究开发出协同分子聚合法(Cooperative Molecular Polymerization),将手性聚合物分子首次引入氧化石墨烯层间、自组装制备出在液体分离中性能超稳定、结构超坚固的手性氧化石墨烯纳滤复合膜(rGO/PLDA)。通常,普通的氧化石墨烯膜在酸性或碱性溶液中易破裂、甚至坍塌分散,而手性复合膜则在pH 3.0-10.0溶液中整体结构十分稳定。最重要的在于,手性复合膜不仅可以在实际湍流状态下长期保持优良的选择性分离功能,而且还能抵抗极端恶劣环境如溶液偏酸、偏碱及超声、振荡等外力作用,这是目前所报道的其他石墨烯基膜材料根本无法企及的,堪称“最强石墨烯膜之王”。

“将军与士兵”规则(“general and soldier” rules)

与以往氧化石墨烯膜难于上青天般的液体稳定性截然不同的是,这种手性复合膜材料的制备非常简单,并且其单体中有着一种不寻常的配方——聚左旋多巴胺分子(英文缩写为PLDA)。

手性放大的“将军与士兵”规则,通常是指小部分手性物质的局部手性可以决定整个组合体的手性特征,并且伴随着手性信号的放大,其本质为聚合物中的将军分子可以控制组合体分子体系的手性性能。因此,生物激发的手性化合物如PLDA不仅可以调节复合膜中氧化石墨烯纳米片间的层间距,而且同时会产生大量的手性位点,从而诱导诸多手性片段形成高度稳定的纳米结构、确保其长期稳定的渗透性能和很高的分离选择性。

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手性材料的“将军与士兵”现象及协同分子聚合法制备超稳定氧化石墨烯膜

神奇的手性锚定物

研究者还发现,由于加入了手性化合物如聚左旋多巴胺作为锚定物,其在化学上起到强大的交联作用,在纳滤成膜性能上赋予其优异的特质。比如:普通的氧化石墨烯膜脆性大、易断裂、不耐水浸泡,而手性复合膜不仅可以翻转折叠,同时不仅在水溶液中可以长期保持结构不变,而且在超声振荡2小时之久也毫发无损、性能十分稳定。

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普通GO膜(棕色)和手性rGO/PLDA复合膜(黑色)在水中长时间浸泡和抵抗超声处理对比。

由于手性聚左旋多巴胺和邻近的rGO纳米片之间的化学交联反应和强大的健能,手性复合膜杨氏模量可达22.62±2.04 Gpa,是目前其他聚合物基GO复合膜的5倍以上。

独特的纳米级分子筛分

不仅如此,手性合成的rGO/PLDA复合膜在水中的溶胀距离可低至0.37 Å,且具有优异的超低压(1.0bar)分子筛分性能。手性复合膜可在近170小时连续湍流运行中保持极高分子截留率(99%以上),神奇的是,普通GO膜对荷负电分子的截留远大于荷正电分子和中性分子,但手性复合膜对正/负电染料均有很好的截留效果。

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手性rGO/PLDA复合膜的抗溶胀性和稳定性及其与其他GO基纳滤膜的运行性能比较

采用协同分子聚合方法制备手性复合膜具有普适性,例如右旋多巴胺和氨基酸类手性物质等均可用于制备结构稳定的手性GO纳滤膜。该研究的最大意义在于,通过便捷的手性放大制备即可得到具有多种功能的纳米级分子筛分膜,并且价格低廉,容易量产,该方法还可进一步延伸用于其他层状和二维膜功能材料的开发,工业化应用前景十分广阔。


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