膜，广泛用于海水淡化、电池和透析等分离过程，在人类的经济和社会的关键部门中发挥着至关重要的作用。大多数技术上开发的膜是基于固体聚合物和作为被动屏障的功能，其传输特性由其化学成分和纳米结构决定。
尽管这样的膜无处不在，但事实证明，要最大限度地提高选择性和通透性是一项挑战，需要在这些相关特性之间进行权衡。自组装的生物膜，其中的屏障和运输功能是分离的，为解决这个问题提供了灵感。
在此，来自瑞士弗莱堡大学的Michael Mayer & Alessandro Ianiro等研究者介绍了一种自组装策略，该策略使用水两相系统的界面作为模板和稳定分子薄(约35 nm)的可扩展面积的仿生嵌段共聚物双层，其可超过10 cm2而无缺陷。相关论文以题为“Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion”于2024年06月05日发表在Nature上。
细胞膜，以极好的效率和选择性调节活细胞内部和细胞间的物质交换。它们的屏障功能是由自组装的磷脂双分子层提供的，尽管它的分子厚度很大，但实际上对大多数亲水性和带电分子是不渗透的。通过嵌入双分子层并作为扩散控制载体、通道或化学燃料泵运作的蛋白质，实现了极端的选择性。
生物膜的分子尺度厚度是所需物种高运输率的关键，这种超分子组件的动态特性使它们能够在不失去功能的情况下改变形状和自我修复。因此，用脂质或两亲嵌段共聚物(BCPs)模拟细胞膜的复杂设计已成为开发高性能人工膜的一种有前途的方法。
然而，通过分子自组装来制造宏观膜需要在至少14个数量级的长度尺度上控制组装过程，也就是说，从分子水平到几平方厘米甚至更大的表面积。到目前为止，这种规模还没有达到分子设计与传统的自组装策略。
磷脂，天然膜的分子构建块，已经进化到在细胞长度尺度上发挥最佳作用，但当它们的面积超过1mm2时，它们的组合变得越来越不稳定。两亲性BCPs代表了天然磷脂的多功能合成替代品，因为它们表现出类似的自组装行为，但形成的膜具有优于磷脂的机械性能。
然而，如果没有坚实的支撑，独立BCP膜的最大可实现面积也仅限于平方毫米范围，这对于实际分离或能量转换应用来说太小了。
在这里，研究者介绍了一种自组装策略，该策略使用水两相系统的界面来作为模板和稳定分子薄(约35 nm)的可扩展面积的仿生嵌段共聚物双层，其可超过10 cm2而无缺陷。
这些膜是自我修复的，它们对离子通过的屏障功能(比电阻约为1 MΩ cm2)接近磷脂膜。这些膜的流动性使分子载体能够直接功能化，这些分子载体可以将钾离子沿浓度梯度输送，具有比钠离子更精细的选择性。这种离子选择性使得在模拟电射线的电器官的装置中，NaCl和KCl的等摩尔溶液能够产生电能。
图2 BCP1和BCP2组成的ATPs-支撑膜的表征。
综上所述，在未来，使用天然或合成离子通道，其传输离子的效率可以比valinomycin高100到1000倍，可以将器件性能提高到电射线(PD = 28 W m−2)的水平。由于BCP膜已被用于功能性跨膜蛋白的重构，现在可以设想实现持续活跃的人造电器官的最后一步，即制造稳定的、大面积的、离子选择性的膜，这种膜使用化学燃料(如ATP)来产生电力。这些膜的平面特性使得将它们串联起来达到期望的电位差成为可能。
这些宏观膜，也可以应用于膜蛋白的电生理学和其他生物物理表征方法，如X射线或中子反射率。最后，这些膜可以实现高价值的分离、蓝色发电和为燃料电池制备离子选择性膜。
Sproncken, C.C.M., Liu, P., Monney, J. et al. Large-area, self-healing block copolymer membranes for energy conversion. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07481-2
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2024年6月6日 下午9:46
