手性放大！浙江工業大學發明「最強石墨烯膜之王」

手性是自然界的基本屬性，其本意為一個物體不能與其鏡像相重合，如同我們的雙手，左手與互成鏡像的右手不重合。對手性的研究，在造就工業奇蹟的同時，也啟發了人類對地球生命、甚至宇宙起源的新認知。由於手性廣泛地存在於自然界中，其不僅可用於製藥、香精和甜味劑等化學行業（2001年度獲諾貝爾化學獎），還可以神奇地與各種新材料結合，在高分子薄膜材料的合成製備中起到意想不到的妙用。

雖然石墨烯材料被公認為是世界最堅固材料之一、氧化石墨烯（GO）膜在分離科學與技術中也顯示了巨大潛力，但其遇水等介質後，由於靜電排斥作用非常容易發生堆疊的GO片層再分散和剝離現象，極大地限制了其實際應用。為解決該國際性難題，近日，浙江工業大學膜分離與水科學技術研究院張國亮教授團隊利用手性放大自然原理，創新性地研究開發出協同分子聚合法（Cooperative Molecular Polymerization），將手性聚合物分子首次引入氧化石墨烯層間、自組裝製備出在液體分離中性能超穩定、結構超堅固的手性氧化石墨烯納濾複合膜（rGO/PLDA）。

通常，普通的氧化石墨烯膜在酸性或鹼性溶液中易破裂、甚至坍塌分散，而手性複合膜則在pH 3.0-10.0溶液中整體結構十分穩定。最重要的在於，手性複合膜不僅可以在實際湍流狀態下長期保持優良的選擇性分離功能，而且還能抵抗極端惡劣環境如溶液偏酸、偏鹼及超聲、振蕩等外力作用，這是目前所報導的其他石墨烯基膜材料根本無法企及的，堪稱「最強石墨烯膜之王」。

「將軍與士兵」規則（「general and soldier」 rules）

與以往氧化石墨烯膜難於上青天般的液體穩定性截然不同的是，這種手性複合膜材料的製備非常簡單，並且其單體中有著一種不尋常的配方——聚左旋多巴胺分子（英文縮寫為PLDA）。

手性放大的「將軍與士兵」規則，通常是指小部分手性物質的局部手性可以決定整個組合體的手性特徵，並且伴隨著手性信號的放大，其本質為聚合物中的將軍分子可以控制組合體分子體系的手性性能。因此，生物激發的手性化合物如PLDA不僅可以調節複合膜中氧化石墨烯納米片間的層間距，而且同時會產生大量的手性位點，從而誘導諸多手性片段形成高度穩定的納米結構、確保其長期穩定的滲透性能和很高的分離選擇性。

手性材料的「將軍與士兵」現象及協同分子聚合法製備超穩定氧化石墨烯膜

神奇的手性錨定物

研究者還發現，由於加入了手性化合物如聚左旋多巴胺作為錨定物，其在化學上起到強大的交聯作用，在納濾成膜性能上賦予其優異的特質。比如：普通的氧化石墨烯膜脆性大、易斷裂、不耐水浸泡，而手性複合膜不僅可以翻轉摺疊，同時不僅在水溶液中可以長期保持結構不變，而且在超聲振蕩2小時之久也毫髮無損、性能十分穩定。

普通GO膜（棕色）和手性rGO/PLDA複合膜（黑色）在水中長時間浸泡和抵抗超聲處理對比。

由於手性聚左旋多巴胺和鄰近的rGO納米片之間的化學交聯反應和強大的健能，手性複合膜楊氏模量可達22.62±2.04 Gpa，是目前其他聚合物基GO複合膜的5倍以上。

獨特的納米級分子篩分

不僅如此，手性合成的rGO/PLDA複合膜在水中的溶脹距離可低至0.37 Å，且具有優異的超低壓（1.0bar）分子篩分性能。手性複合膜可在近170小時連續湍流運行中保持極高分子截留率（99%以上），神奇的是，普通GO膜對荷負電分子的截留遠大於荷正電分子和中性分子，但手性複合膜對正/負電染料均有很好的截留效果。

手性rGO/PLDA複合膜的抗溶脹性和穩定性及其與其他GO基納濾膜的運行性能比較。

採用協同分子聚合方法製備手性複合膜具有普適性，例如右旋多巴胺和胺基酸類手性物質等均可用於製備結構穩定的手性GO納濾膜。該研究的最大意義在於，通過便捷的手性放大製備即可得到具有多種功能的納米級分子篩分膜，並且價格低廉，容易量產，該方法還可進一步延伸用於其他層狀和二維膜功能材料的開發，工業化應用前景十分廣闊。