從動態生物離子通道中汲取靈感，研究人員開發了各種具有響應性納米通道的人造膜。通常，這些膜通過操縱本征層內表面的響應層來改變質量傳遞行為。在這項研究中，構建了由碳化鈦 MXene 和聚（N-異丙烯酰胺）組成的二維層狀膜，通過調整納米通道微環境實現雙級可調節納米通道。這些二維納米通道的大小可以通過熱響應聚合物層和可能發生自發氧化的本征 MXene 層來改變。多水平調節策略大大提高了 MXene 分離膜的分子選擇性，進一步應用于多分子的精確梯度分離。這一進步展示了響應納米通道技術的多功能性和變革能力，為不同領域的創新發展奠定了基礎。
Fig 1. 雙調控的熱響應MXene基智能分離膜用于多種分子精確梯度分離。
Fig 2. 通過改變熱響應性 PNIPAM 的配置進行納米通道調節的 PMM。Ti
3C
2T
x MXene 粉末
的 SEM 圖像，具有松散堆疊的手風琴狀結構，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，表明納米復合材料具有良好的分散性。右上圖是 PMM 在基板上的數碼照片。右下角是獨立的 PMM。比例尺為 20 毫米。北京科技大學徽章的圖像允許北京科技大學使用。
e PMM 的橫截面 SEM 圖像，顯示堆疊微觀結構。比例尺為 1 μm。
f 膜形成過程中濾液的總有機碳分析。
x MXene 和 PMM 的 TGA 表征。
h，i MXene 和 PMM 在 25 °C 和 50 °C 下對各種分子的排斥率，表明 PMM 的納米通道可以由熱響應 PNIPAM 層調節。
Fig 3. 具有不同 TiO
2 原子分數的 PMM 的表征。
a NIPAM 在 Ti
3C
2O
2、銳鈦礦 TiO
2 和無定形 C 上的優化最穩定的吸附構型，其中吸附能分別為 -41.8、-25.5 和 -10.3 kJ
mol-1。
b 所有考慮的吸附構型的相應吸附能，表明 NIPAM 對 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 Ti 2p 光譜，TiO
2 原子分數為 3.2%、18.0%、32.4% 和 59.7%。
Fig 4. 通過熱響應 PNIPAM 層的構型變化和本征 MXene 層上的
原位 TiO
2 形成來調節納米通道。
A-DTiO
2 的 2D SAXS 圖像-PMM，TiO
2 分數范圍為 3.2% 至 59.7%。赤道方向的兩個強擴散點表明，TiO
2 的形成對 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 分數從 3.2% 到 59.7% 不等。
f TiO 2-PMM 的取向順序參數 （
f） 圖（黑線、綠線、紅線和藍線分別指 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 下對各種分子的截留率，表明本征層的組成變化也可以調節納米通道。
l 混合進料溶液的紫外-可見光譜在 25 °C 和 50 °C 時滲透，在 50 °C 時截留。
Fig 5. 通過 MXene 基膜的水滲透的 MD 模擬。
a-c三組水滲透系統（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。
相關研究工作由北京航空航天大學Yong Zhao聯合北京科技大學Cunhai Wang和Jingchong Liu 于2024年在線發表在《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
轉自《石墨烯研究》公眾號
