智能調控物質通過多孔薄膜在膜領域有著重要的應用。近些年來，可響應不同外場刺激的智能納米門控薄膜，已被成功制備并在膜分離領域表現出優異的性能。氧化石墨烯（GO）膜，具有獨特的二維納米傳質通道，因此展現出快速水傳輸特性，并對分子有較高的選擇率。北京航空航天大學化學學院趙勇教授課題組近些年來在仿生分離膜用于多相液體與分子分離領域中取得了一系列的進展（Review: Sci. China. Chem., 2019, 62, 14）。在前期石墨烯分離膜工作中（Nat. Commun., 2017, 8, 2011），他們受植物氣孔啟發，制備了“高溫閉孔，低溫開孔”的仿生GO膜，在納濾尺度表現出優異的分離性質。近日，在該工作基礎上，團隊通過簡單調控溫度響應聚合物在GO上的接枝密度，制備了具有正/負可逆門控規律的溫度響應GO膜。進一步地，研究人員將具有相反門控性質的GO膜結合在一起，設計了一種具有自適應性的流體控制系統，在智能分離、流體可控輸運中均表現出優異的性質。相關成果以《Thermoresponsive Graphene Membranes with Reversible Gating Regularity for Smart Fluid Control》為題，發表于國際著名期刊《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201808501)，北京航空航天大學卓越百人博士后劉敬崇博士為該論文第一作者。

作者通過傳統自由基聚合反應將溫敏聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺） (PNIPAM) 與GO共價連接，通過調控實驗參數，制備了具有不同PNIPAM接枝密度的GO/PNIPAM復合物。將復合物水分散液壓濾得到薄膜后發現，在低接枝密度下， GO膜表現為正溫度響應性，即溫度升高，通量增大；而在高接枝密度下，GO膜則表現為負溫度響應性，即溫度升高，通量減小（圖1）。

圖1. 調控PNIPAM接枝密度制備具有可逆門控規律的仿生GO膜。

作者通過實驗表征和DFT計算手段對GO膜可逆溫度響應規律的機理進行了探討。他們認為當PNIPAM接枝密度較低時， PNIPAM鏈在GO片層上主要呈平鋪形式，溫度升高時PNIPAM鏈收縮，暴露出更多的流體通道，從而使GO膜表現為正溫度響應性質；而當PNIPAM接枝密度較高時，在空間位阻效應下，PNIPAM鏈直立于GO片層間，溫度升高時相鄰的PNIPAM鏈更易形成分子間的氫鍵，減小了通道尺寸，從而使GO膜表現為負溫度響應性質（圖2）。進而，作者通過協同具有相反門控性質的兩種溫度響應GO膜，設計了一種具有自適應性的流體系統，可以實現分子的智能分離與流體的智能傳輸（圖3）。該項研究為設計新型的智能流體系統提供了新思路，并且在化工生產、水處理和微/納流控芯片等領域中都有著潛在的應用。

圖2. GO膜具有可逆門控響應規律的機理分析。

圖3. 具有自適應性的智能流體系統。

該工作通過簡單調控聚合物在GO上的接枝密度，制備了具有可逆門控規律的石墨烯膜器件，打破了傳統門控器件只具有單一響應規律的限制，為下一代仿生門控薄膜的設計制備提供了指導和借鑒。該研究工作得到了國家自然科學基金、中組部萬人計劃青年撥尖人才的支持。論文計算方面得到了澳洲國立大學于利娟博士和西澳大學Amir Karton教授的協助。

來源：高分子科學前沿