油滴在水表面鋪展成膜是18世紀中期發(fā)現的一個經典現象，啟發(fā)了界面反應、Langmuir-Blodgett單分子膜等技術的誕生。與此相對，水溶性溶劑液滴與水接觸時，并不能形成穩(wěn)定界面，一般發(fā)生混溶而非鋪展。采用高壓電噴霧技術降低有機溶劑液滴的尺寸，可實現溶劑微液滴在水面上的鋪展，表明相溶溶劑之間的動態(tài)界面可為分子組裝和化學合成提供新平臺（Huang et al.,JACS 2015,137,10683.）。但如何更簡易的實現大尺寸水溶液液滴在水表面的鋪展仍是一個難題。

近期，趙強教授課題組在《Nature Communications》在線刊發(fā)了該領域的新進展（Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation,Nat.Commun.13,3227,2022.），提出了一種聚電解質水溶液在水面自發(fā)鋪展，形成多孔膜的機制。文章第一作者是化學與化工學院2020屆碩士畢業(yè)生湯思晗，合作單位包括華中科技大學材料科學與工程學院，協(xié)和醫(yī)院。研究得到國家自然科學基金，國家重點研發(fā)計劃和三峽實驗室開放基金的支持。

圖1受皮膚分化過程啟發(fā)的水-水鋪展與聚電解質膜制備機制

含有聚乙烯亞胺（PEI）和聚苯乙烯磺酸鈉（PSSNa）的水溶液滴在水表面自發(fā)鋪展成膜（圖1，圖2）。一般而言，水溶液液滴與水接觸時首先發(fā)生向水中的擴散與混溶，而非鋪展。為了抑制水-水擴散與混溶，作者設計了PEI-PSSNa和混合溶液，其pH為堿性。當該溶液液滴與酸性水接觸時，水中含有的大量質子促使PEI高分子鏈上的氨基質子化，隨后帶正電的PEI與PSSNa在水-水界面上發(fā)生靜電絡合，有效抑制了溶液向水中的擴散與混溶。與此同時，PEI-PSSNa的表面張力比水低，液滴因此在水表面可自發(fā)鋪展，而非混合。二者協(xié)同，促使了水溶液液滴在水面進行自發(fā)鋪展。

圖2 pH值對聚電解質多孔膜微觀結構的調控

該工作研究了表面張力和pH對聚電解質的組裝行為和多孔膜微結構、宏觀尺寸的影響（圖3）。本方法無需表面活性劑或降低液滴尺寸，簡化了水-水自發(fā)鋪展和多孔膜的制備過程，適用于多種聚電解質和納米材料，擴大了相溶界面材料組裝的應用范圍。通過該方法制備的多孔聚電解質-碳材料復合膜在1個太陽的照射下表現出優(yōu)異的水蒸發(fā)脫鹽性能（2.8 kg/m2h）。該工作提出了聚電解質水溶液在水表面自發(fā)鋪展和組裝成膜的新機制，為聚合物在界面自組裝的微觀結構調控以及在膜分離、脫鹽等領域應用提供了新思路。

圖3表面張力對聚電解質水溶液在水表面鋪展的影響