五邑大学张梦辰/刘长宇AFM：​具有仿生自适应门控功能的智能二维氧化石墨烯膜

生命体中细胞膜通过调控自适应门控通道实现多组分的可控传输。面向复杂的分子/离子混合体系（如高盐含量的印染废水体系），开发具有仿生自适应门控功能的人造膜，对于多组分的智能分离和回收利用有重要意义。常规方法通过在通道壁面接枝各种响应性聚合物链段，依赖聚合物链段对通道的阻塞程度实现通道门控功能。然而，这通常会带来较大的通道传质阻力和较宽的通道尺寸分布，难以兼具高门控响应和高分离效率。

最近，五邑大学张梦辰和刘长宇课题组设计了一种具有仿生自适应门控功能的智能pH响应二维材料膜（Adaptive Gating Enhances Intelligent Membranes for Cellular Functions and Precise Separations, Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202310647）。受到生物通道蛋白构象变化控制通道门控开关的现象启发，在二维氧化石墨烯（GO）膜层间通道嵌入仿生物通道蛋白的两性离子化聚多巴胺（ZPDA）软分子聚集体。由于丰富的界面结合作用，ZPDA与GO纳米片有序自组装，作为膜层间柔性间隔物和稳定剂。更重要的是，ZPDA的自聚合与两性离子化特性赋予其pH敏感的构象与电荷响应性。碱性条件下ZPDA紧密聚合并去质子化；酸性条件下ZPDA部分解离并质子化。ZPDA的这种pH响应的自适应变化使得GO/ZPDA膜通道的空间结构和电荷性质可以根据外部pH信号动态调节，基于机械屏障和电荷屏障的双重机制，实现pH响应的离子渗透性和选择性。

图1 具有仿生自适应门控功能的智能pH响应二维GO膜示意图

图2 ZPDA软分子聚集体控制GO/ZPDA膜通道的空间结构和电荷性质

图3 智能GO/ZPDA膜表现出可编程的分离性能，可实现染料和盐混合物的定制分离，助力高盐含量的印染废水处理回用

该项研究工作为自适应门控通道和智能二维材料膜的设计构建提供了新策略，并且在离子提取、超级电容器、传感器、催化剂和微/纳流控器件等领域中都有着潜在的应用。该研究工作得到了昆士兰大学张西旺教授和广东工业大学张山青教授的指导协助。