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獨立的功能性無機膜，超出其有機和聚合物對應物的限制，可以釋放高級分離，催化，傳感器，記憶，光學濾波和離子導體的潛力。

然而，大多數無機材料的脆性以及缺乏表面不飽和連接，意味著難以通過傳統的自上而下的模塑和/或自下而上的合成形成連續的膜。目前，通過選擇性去除犧牲基底，從預沉積薄膜中制備出的特種無機膜還很少。

在此，來自新加坡南洋理工大學的Ghim Wei Ho等研究者展示了一種策略，轉換成核偏好在水系統的無機前體，可以形成各種超薄無機膜在氣液界面。相關論文以題為“Mechanistic formulation of inorganic membranes at the air–liquid interface”于2023年03月29日發表在Nature上。

膜的制備依賴于兩個條件：將物質分布限制在兩個維度內并保持其幾何連續性。例如，超薄聚合物膜可以通過界面聚合（IP）制備，在此過程中，反應性的組分在氣液界面連續供應并發生系統聚集。我們試圖從IP中獲得靈感，并將其應用于各種無機物，以創建自立的無機膜。

在典型的制備無機材料的水相體系中，由于最低自由能勢壘，固體晶核優先在容器壁上形成，而不是在水表面和溶液內均質成核（圖1a,b）。

通過水下原子力顯微鏡探測界面的力-壓痕曲線，揭示了這種不受歡迎的成核親和性，起源于固-液界面之間的范德華吸引作用，將它們困在明確定義的勢能井中（圖1c）。無論是什么容器材料，在常見的水相體系中都可以確定固-液界面的勢能井。

這一發現啟發了人們設計一種固-液界面屏蔽（SLIS）策略，通過簡單地使用一個水凝膠涂層提高固體在容器壁上成核的能壘，使成核偏好于空氣-液體界面（圖1b）。

圖1. SLIS 誘導的水溶液中成核偏好的轉化

在這里，研究者展示了一種策略，以在無機前體的水溶液中切換成核偏好，從而在空氣-液體界面形成各種超薄無機薄膜。機理研究表明，薄膜生長取決于浮動構建塊的動力學演變，這有助于基于幾何連通性導出相圖。這種洞察力為任何未開發的膜提供了普遍的合成指導，以及調節膜厚和孔徑參數的原理。除了理解復雜的動態系統外，這項研究還從成分、結構和功能方面全面擴展了傳統的膜概念。

圖2. 從試驗銀膜到解鎖彩色膜庫

圖3. SLIS 系統中運動控制的膜生長

圖4. SLIS介導膜的一般合成方法及復雜性的擴展

綜上，與IP過程不同，界面無機膜產生于一個涉及多種動態和多體相互作用的復雜粒子系統。在有利的構型下，這些混沌的浮動構建塊會自發地演變成各種優雅而有形的結構。除了呈現的膜庫，該工作從幾個角度擴展了傳統膜的概念：在組成方面，通過研究者的一般合成指導，可以從水系中獲得對任何未探索的膜的訪問。

此外，當SLIS策略擴展到有機或熔體系統時，膜的種類將進一步豐富。在結構上，提出了多重膜與單純膜相對的多樣的拓撲結構（圖4e）。在功能上，選擇性2D能壘對傳統物質流的概念擴展到能量流。這些新解鎖的無機膜設計維度作為催化劑，推動成熟的膜技術的振興。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/09/eb9d9c11d7/

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