纳米气泡诱导的两亲分子自组装在结构设计中的应用及其在聚酰胺反渗透膜中的应用

《Journal of Membrane Science》：Nanobubbles-induced self-assembly of amphiphilic molecules for structural design and application to polyamide reverse osmosis membranes

纳米气泡诱导两性分子自组装形成纳米空腔和人工水通道复合结构，显著提升聚酰胺反渗透膜的水渗透率和盐选择性，提供高性能膜材料设计新策略。

　　这项研究提出了一种创新的策略，利用纳米气泡诱导的两亲分子自组装，以提升聚酰胺（PA）反渗透（RO）膜的性能。研究团队通过引入纳米气泡，为两亲分子提供了额外的气-液界面，从而在膜的本体或界面处实现自组装。这一方法不仅有助于形成具有快速水传输能力的纳米空洞，还通过纳米气泡的独特载体效应，实现了纳米颗粒在PA层中的定向加载，进而显著提升了膜的水通量和水/盐选择性。

在传统的液-液界面聚合（IP）过程中，膜的微结构主要受到两相溶液中分子扩散和反应动力学的影响。研究发现，即使微小的改变，如两相溶液的组成或界面条件，也可能对膜的结构和性能产生重大影响。因此，如何在IP过程中有效调控膜的微结构，成为提升膜性能的关键。而纳米气泡的引入为这一过程带来了新的可能性。纳米气泡在液-液IP系统中产生，它们不仅为两亲分子提供了额外的自组装场所，还通过其独特的物理化学特性，如表面电荷和界面张力，影响了膜的形成过程。

纳米气泡表面通常带有负电荷，这种特性使其能够与具有可控表面电荷的其他两亲分子结构（如脂质体或仿生肽）相互作用，从而形成稳定的纳米气泡@人工水通道（AWC）纳米颗粒，这些纳米颗粒被称为“装甲纳米气泡”。这一过程在IP过程中通过纳米气泡诱导的自组装实现，即两亲分子在纳米气泡表面和其内部空间中按照特定的方向排列，形成具有特定功能的纳米结构。这种结构不仅有助于形成大量的纳米空洞，还能够将AWC纳米颗粒精准地定位在这些空洞周围，从而优化膜的水传输路径和选择性。

在本研究中，团队特别关注了由组氨酸（H）和不同长度的烷基异氰酸酯（Cx）合成的两亲分子HCx（x=6,7,8）的自组装行为。通过调整HCx分子中烷基链的长度，研究者能够调控纳米气泡在膜层中的分布和自组装方式，进而优化膜的性能。例如，PA-HC6膜在淡水淡化过程中表现出卓越的水通量（4.37 L m?2 h?1 bar?1）和盐截留率（98.6%）。这表明，通过纳米气泡诱导的自组装策略，可以实现对膜结构的精细调控，从而提升其在实际应用中的表现。

纳米气泡的引入不仅改变了传统IP过程中膜的形成机制，还为膜材料的设计提供了新的思路。与传统的无序掺杂或层间结构相比，纳米气泡诱导的自组装策略能够实现纳米颗粒的定向加载，使得膜层内部的结构更加有序和可控。这种有序性不仅有助于提高水分子的传输效率，还能够增强膜对盐分的排斥能力，从而提升膜的整体性能。

此外，纳米气泡在IP过程中的作用并不仅限于提供自组装场所。它们还能够作为载体，将特定功能的纳米颗粒（如人工水通道）精确地输送到膜层内部。这种载体效应使得纳米颗粒的分布更加均匀，避免了传统方法中可能出现的聚集或不均匀分布问题。同时，纳米气泡的存在还能减少其在水/有机相中破裂的可能性，从而保护膜层的结构完整性。

研究还指出，纳米气泡的表面电荷特性可以与其他两亲分子结构相互作用，形成稳定的纳米结构。这种相互作用不仅限于纳米气泡与两亲分子之间的结合，还可能影响整个膜层的电荷分布和水分子的传输路径。通过调控纳米气泡的表面电荷，研究者可以进一步优化膜的性能，使其在不同水质条件下均能保持高效的水传输和盐截留能力。

在实际应用中，这种策略为设计高性能的PA复合膜提供了新的途径。传统方法中，PA膜的性能往往受到材料本身的限制，而通过引入纳米气泡诱导的自组装策略，可以突破这些限制，实现更高效的水传输和更高的选择性。这种技术的创新不仅体现在材料设计上，还体现在制备工艺的优化上。通过精确控制纳米气泡的形成和自组装过程，研究者能够实现对膜结构的多层次调控，从而满足不同应用场景的需求。

从更广泛的角度来看，这项研究的意义在于它将纳米气泡与IP工程相结合，为膜材料的开发开辟了新的方向。纳米气泡的引入不仅丰富了膜结构的多样性，还为膜的性能提升提供了新的机制。通过这种策略，研究者能够更有效地调控膜的微结构，从而实现对膜性能的精准优化。这种技术的潜在应用不仅限于反渗透膜，还可能扩展到其他类型的膜材料，如纳滤膜、气体分离膜等。

本研究的实验设计和结果分析显示，纳米气泡诱导的自组装策略在膜材料的制备中具有显著优势。通过将纳米气泡作为模板和载体，研究者能够在膜层中形成具有特定功能的纳米结构，从而提升膜的性能。同时，实验结果也表明，通过调整两亲分子的结构（如烷基链长度），可以进一步优化膜的水通量和选择性。这种灵活性使得该策略在实际应用中具有广泛的适用性。

综上所述，这项研究提出了一种基于纳米气泡诱导的自组装策略，为设计高性能的PA复合膜提供了新的思路和技术手段。通过这种策略，纳米气泡不仅作为模板促进纳米空洞的形成，还作为载体实现纳米颗粒的定向加载，从而显著提升了膜的水通量和水/盐选择性。这一创新性的研究方法，为未来的膜材料开发和应用奠定了坚实的基础。