精准的液体渗透控制!哈工大成中军《ACS Nano》:能同时控制开/关和渗透通量的形状记忆亲液泡沫

x
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

  在油水分离、离子传输、药物控释等领域中,科学家一直在追求能够精妙操作液体渗透现象的材料 ,以达到选择性渗透和渗透通量可控的目的。多孔材料是这一领域炙手可热的明星,其液体浸润性和孔径被认为是控制渗透现象的关键。

  目前具有浸润性可调节特性的多孔材料已被广泛报道。它们的主要特点是能够通过pH、光、电场、温度等环境刺激在亲水/疏水或亲油/疏油之间来回切换,以实现对不同种类液体的选择性吸收。

  相比于仅具有静态孔径的亲疏可调多孔材料,孔径可调的智能渗透材料能不仅仅能实现对油水的选择性吸收,还能够调节其渗透通量,因而是一种更具前景的材料。然而至今为止,通过调节孔径来实现液体渗透控制的多孔材料仍然很少被报道。现有的方案,例如多孔PDMS薄膜,在渗透过程中需要恒外压,且孔径的调节需要恒定外力来维持。上述缺陷严重限制了材料在现实情况中的使用。

  近日,为解决上述问题,哈尔滨工业大学的成中军副研究员团队开发了一种可用于智能液体渗透控制形状记忆泡沫材料。这种泡沫的孔径可在28 nm到900 μm的范围内调节并自我维持,同时还保持良好的亲液性。这一特性使其不仅能够实现对渗透现象的开/关控制,还能够精准控制水或油的渗透通量,因而这种泡沫在小分子的精准控释等领域有广泛的应用前景。上述成果以“Superlyophilic Shape Memory Porous Sponge for Smart Liquid Permeation”为题发表于ACS Nano。


  1. 形状记忆泡沫的制备


  图 1 形状记忆泡沫的制备、结构和亲液性的开/关特性

  为得到具有形状记忆特性且亲液的泡沫,研究人员以常见的聚氨酯 (PU) 泡沫为骨架,在其上 依次 沉积了 反式聚异戊二烯 (TPI) 、聚多巴胺/聚乙烯亚胺(PDA/PEI)(图1a)。泡沫的平均孔径在900 μm,在孔壁表面还可以观察到直径约为500 nm的PDA/PEI微球(图1b-j)。这一泡沫的水接触角和油接触角都为0 o C 。 由于大孔径和超亲液的特性,水和油在重力作用下就能渗透泡沫。然而当泡沫在70 o C 下被压缩且冷却定型后,尽管材料仍保持 了较高的亲液性,然而大幅减小的孔径使水和油均无法渗透泡沫。当泡沫被加热恢复至原来的形状后,其渗透性也随之恢复(图1k、 l )。

  2. 泡沫结构及形状记忆特性


  图 2 泡沫的3D结构和孔径形状记忆特性

  利用X射线微型计算机断层扫描技术(Micro-XCT),研究人员进一步表征了泡沫在不同压缩回复率下的孔结构。在未压缩或轻度压缩状态,孔与孔之间相互连接,当被完全压缩时,孔变得十分致密,但并未完全消失 (图2a-f) 。 进一步的氮气吸附-脱附测试也证明了同样的结论,并说明了通过控制泡沫的压缩回复率能在28 nm到900 μm的范围内控制孔的孔 径,且这一控制具有良好的可重复性 (图2g-i) 。

  3. 不同液体的可控渗透性能


  图 3 对不同的水和油的可控渗透测试

  形状记忆亲液泡沫最突出的特点便是对渗透通量的精准控制能力。研究人员分别测试了这一泡沫对不同pH的水、不同极性和黏性的油的可控性渗透能力。 随着孔径的逐步增大,水和油的渗透通量都逐步增大,这一特性不受水的pH以及油的 极性的影响 (图3a、b) ,然而随着粘度的增大,泡沫对油的渗透通量的调节能力明显减弱 (图3c) 。此外,泡沫的可控渗透具有良好的可重复性,仅需通过丙酮清洗就能恢复其能力 (图3d) 。

  4. 可控渗透原理


  图 4 泡沫可控液体渗透的机理

  在上述泡沫中,TPI 为泡沫提供了形状记忆特性。在常温下,TPI具有较高的结晶度,可以固定泡沫的形状。当升温后,结晶熔融,泡沫在PU骨架的作用下具有了弹性,因而可以被压缩或是恢复初始形状 (图4a、b) 。

  由于泡沫在任意状态下都具有良好的亲液性,因而其液体渗透特性主要由孔径来控制。液体是否可以渗透泡沫主要取决于毛细力和静压力的平衡。静压力提供液体渗透的动力,毛细力则阻止液体的渗透 (图4a 9 ) 。 当孔径减小时,毛细力增强,因而液体的渗透能力减弱。此外,泡沫厚度也对液体渗透特性有影响,泡沫过薄会导致在压缩后液体依然能穿过泡沫。

  根据哈根-泊肃叶方程,液体的渗透通量随着孔隙率和孔径的升高而升高,随着泡沫厚度的增加而减小。 对于本工作的形状记忆泡沫,厚度减小是次要因素,其渗透通量主要来自于泡沫孔隙率和孔径的大幅变化。

  5. 小分子的 控释


  图 5 形状记忆亲液泡沫对罗丹明B的控释

  形状记忆亲液泡沫不仅可以提供小分子溶液渗透开/关的控制,还能实现对小分子的控释。这一特性在药物控释、微流控等领域有重要应用。为说明该泡沫的上述能力,研究人员设计了 用形状记忆亲液泡沫来控制罗丹明B溶液的释放的装置 (图5a) 。 随着压缩回复率的增高,罗丹明B的释放量有明显上升 (图5b、c) 。

  总结

  形状记忆亲液泡沫为泡沫的孔径控制提供了一种有效的解决方案。从28 nm到900 μm的大尺度孔径变化赋予了这种泡沫独特的液体渗透控制能力。在先前工作仅仅能控制液体渗透开/关的基础上,还提供了度渗透通量的精准控制能力,因而在药物控释、精准微反应等领域有巨大的潜在应用价值。

  来源:高分子科学前沿

  声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

跟贴 跟贴 0 参与 2
推荐
热点
财经
科技
娱乐
游戏
搞笑
汽车
历史
生活
更多
二次元
军事
教育
健身
健康
家居
故事
房产
宠物
旅游
时尚
美食
育儿
情感
人文
数码
三农
艺术
职场
体育
星座
© 1997-2020 网易公司版权所有 About NetEase | 公司简介 | 联系方法 | 招聘信息 | 客户服务 | 隐私政策 | 广告服务 | 侵权投诉 Reporting Infringements | 不良信息举报

高分子科学前沿

高分子领域第一自媒体

头像

高分子科学前沿

高分子领域第一自媒体

2658

篇文章

20851

人关注

列表加载中...
请登录后再关注
x

用户登录

网易通行证/邮箱用户可以直接登录:
忘记密码