生命體中細胞膜通過調控自適應門控通道實現多組分的可控傳輸。面向復雜的分子/離子混合體系（如高鹽含量的印染廢水體系），開發具有仿生自適應門控功能的人造膜，對于多組分的智能分離和回收利用有重要意義。常規方法通過在通道壁面接枝各種響應性聚合物鏈段，依賴聚合物鏈段對通道的阻塞程度實現通道門控功能。然而，這通常會帶來較大的通道傳質阻力和較寬的通道尺寸分布，難以兼具高門控響應和高分離效率。

最近，張夢辰和劉長宇課題組設計了一種具有仿生自適應門控功能的智能pH響應二維材料膜（Adaptive Gating Enhances Intelligent Membranes for Cellular Functions and Precise Separations, Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202310647）。受到生物通道蛋白構象變化控制通道門控開關的現象啟發，在二維氧化石墨烯（GO）膜層間通道嵌入仿生物通道蛋白的兩性離子化聚多巴胺（ZPDA）軟分子聚集體。由于豐富的界面結合作用，ZPDA與GO納米片有序自組裝，作為膜層間柔性間隔物和穩定劑。更重要的是，ZPDA的自聚合與兩性離子化特性賦予其pH敏感的構象與電荷響應性。堿性條件下ZPDA緊密聚合并去質子化；酸性條件下ZPDA部分解離并質子化。ZPDA的這種pH響應的自適應變化使得GO/ZPDA膜通道的空間結構和電荷性質可以根據外部pH信號動態調節，基于機械屏障和電荷屏障的雙重機制，實現pH響應的離子滲透性和選擇性。

圖1 具有仿生自適應門控功能的智能pH響應二維GO膜示意圖

圖2 ZPDA軟分子聚集體控制GO/ZPDA膜通道的空間結構和電荷性質

圖3 智能GO/ZPDA膜表現出可編程的分離性能，可實現染料和鹽混合物的定制分離，助力高鹽含量的印染廢水處理回用

該項研究工作為自適應門控通道和智能二維材料膜的設計構建提供了新策略，并且在離子提取、超級電容器、傳感器、催化劑和微/納流控器件等領域中都有著潛在的應用。該研究工作得到了昆士蘭大學張西旺教授和廣東工業大學張山青教授的指導協助。（來源：高分子科學前沿）