最新Nature：超薄无机膜，切换成核偏好，全面扩展膜概念！

独立的功能性无机膜，超出其有机和聚合物对应物的限制，可以释放高级分离，催化，传感器，记忆，光学滤波和离子导体的潜力。

然而，大多数无机材料的脆性以及缺乏表面不饱和连接，意味着难以通过传统的自上而下的模塑和/或自下而上的合成形成连续的膜。目前，通过选择性去除牺牲基底，从预沉积薄膜中制备出的特种无机膜还很少。

在此，来自新加坡南洋理工大学的Ghim Wei Ho等研究者展示了一种策略，转换成核偏好在水系统的无机前体，可以形成各种超薄无机膜在气液界面。相关论文以题为“Mechanistic formulation of inorganic membranes at the air–liquid interface”于2023年03月29日发表在Nature上。

膜的制备依赖于两个条件：将物质分布限制在两个维度内并保持其几何连续性。例如，超薄聚合物膜可以通过界面聚合（IP）制备，在此过程中，反应性的组分在气液界面连续供应并发生系统聚集。我们试图从IP中获得灵感，并将其应用于各种无机物，以创建自立的无机膜。

在典型的制备无机材料的水相体系中，由于最低自由能势垒，固体晶核优先在容器壁上形成，而不是在水表面和溶液内均质成核（图1a,b）。

通过水下原子力显微镜探测界面的力-压痕曲线，揭示了这种不受欢迎的成核亲和性，起源于固-液界面之间的范德华吸引作用，将它们困在明确定义的势能井中（图1c）。无论是什么容器材料，在常见的水相体系中都可以确定固-液界面的势能井。

这一发现启发了人们设计一种固-液界面屏蔽（SLIS）策略，通过简单地使用一个水凝胶涂层提高固体在容器壁上成核的能垒，使成核偏好于空气-液体界面（图1b）。

图1. SLIS 诱导的水溶液中成核偏好的转化

在这里，研究者展示了一种策略，以在无机前体的水溶液中切换成核偏好，从而在空气-液体界面形成各种超薄无机薄膜。机理研究表明，薄膜生长取决于浮动构建块的动力学演变，这有助于基于几何连通性导出相图。这种洞察力为任何未开发的膜提供了普遍的合成指导，以及调节膜厚和孔径参数的原理。除了理解复杂的动态系统外，这项研究还从成分、结构和功能方面全面扩展了传统的膜概念。

图2. 从试验银膜到解锁彩色膜库

图3. SLIS 系统中运动控制的膜生长

图4. SLIS介导膜的一般合成方法及复杂性的扩展

综上，与IP过程不同，界面无机膜产生于一个涉及多种动态和多体相互作用的复杂粒子系统。在有利的构型下，这些混沌的浮动构建块会自发地演变成各种优雅而有形的结构。除了呈现的膜库，该工作从几个角度扩展了传统膜的概念：在组成方面，通过研究者的一般合成指导，可以从水系中获得对任何未探索的膜的访问。

此外，当SLIS策略扩展到有机或熔体系统时，膜的种类将进一步丰富。在结构上，提出了多重膜与单纯膜相对的多样的拓扑结构（图4e）。在功能上，选择性2D能垒对传统物质流的概念扩展到能量流。这些新解锁的无机膜设计维度作为催化剂，推动成熟的膜技术的振兴。

文献信息

Zhang, C., Lu, W., Xu, Y. et al. Mechanistic formulation of inorganic membranes at the air–liquid interface. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05809-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05809-y

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/09/eb9d9c11d7/

最新Nature：超薄无机膜，切换成核偏好，全面扩展膜概念！

相关推荐