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(yè)奇跡的同時，也啟發(fā)了人類對地球生命、甚至宇宙起源的新認(rèn)知。由于手性廣泛地存在于自然界中，其不僅可用于制藥、香精和甜味劑等化學(xué)行業(yè)（2001年度獲諾貝爾化學(xué)獎），還可以神奇地與各種新材料結(jié)合，在高分子薄膜材料的合成制備中起到意想不到的妙用。
雖然石墨烯材料被公認(rèn)為是世界最堅固材料之一、氧化石墨烯（GO）膜在分離科學(xué)與技術(shù)中也顯示了巨大潛力，但其遇水等介質(zhì)后，由于靜電排斥作用非常容易發(fā)生堆疊的GO片層再分散和剝離現(xiàn)象，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。為解決該國際性難題，近日，浙江工業(yè)大學(xué)膜分離與水科學(xué)技術(shù)研究院張國亮教授團(tuán)隊利用手性放大自然原理，創(chuàng)新性地研究開發(fā)出協(xié)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、自組裝制備出在液體分離中性能超穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)超堅固的手性氧化石墨烯納濾復(fù)合膜（rGO/PLDA）。通常，普通的氧化石墨烯膜在酸性或堿性溶液中易破裂、甚至坍塌分散，而手性復(fù)合膜則在pH 3.0-10.0溶液中整體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。最重要的在于，手性復(fù)合膜不僅可以在實(shí)際湍流狀態(tài)下長期保持優(yōu)良的選擇性分離功能，而且還能抵抗極端惡劣環(huán)境如溶液偏酸、偏堿及超聲、振蕩等外力作用，這是目前所報道的其他石墨烯基膜材料根本無法企及的，堪稱“最強(qiáng)石墨烯膜之王”。
“將軍與士兵”規(guī)則（“general and soldier” rules）
與以往氧化石墨烯膜難于上青天般的液體穩(wěn)定性截然不同的是，這種手性復(fù)合膜材料的制備非常簡單，并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(guī)則，通常是指小部分手性物質(zhì)的局部手性可以決定整個組合體的手性特征，并且伴隨著手性信號的放大，其本質(zhì)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(fā)的手性化合物如PLDA不僅可以調(diào)節(jié)復(fù)合膜中氧化石墨烯納米片間的層間距，而且同時會產(chǎn)生大量的手性位點(diǎn)，從而誘導(dǎo)諸多手性片段形成高度穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)、確保其長期穩(wěn)定的滲透性能和很高的分離選擇性。
神奇的手性錨定物
研究者還發(fā)現(xiàn)，由于加入了手性化合物如聚左旋多巴胺作為錨定物，其在化學(xué)上起到強(qiáng)大的交聯(lián)作用，在納濾成膜性能上賦予其優(yōu)異的特質(zhì)。比如：普通的氧化石墨烯膜脆性大、易斷裂、不耐水浸泡，而手性復(fù)合膜不僅可以翻轉(zhuǎn)折疊，同時不僅在水溶液中可以長期保持結(jié)構(gòu)不變，而且在超聲振蕩2小時之久也毫發(fā)無損、性能十分穩(wěn)定。
由于手性聚左旋多巴胺和鄰近的rGO納米片之間的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和強(qiáng)大的健能，手性復(fù)合膜楊氏模量可達(dá)22.62±2.04 Gpa，是目前其他聚合物基GO復(fù)合膜的5倍以上。
獨(dú)特的納米級分子篩分
不僅如此，手性合成的rGO/PLDA復(fù)合膜在水中的溶脹距離可低至0.37 ?，且具有優(yōu)異的超低壓（1.0bar）分子篩分性能。手性復(fù)合膜可在近170小時連續(xù)湍流運(yùn)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(fù)電分子的截留遠(yuǎn)大于荷正電分子和中性分子，但手性復(fù)合膜對正/負(fù)電染料均有很好的截留效果。
采用協(xié)同分子聚合方法制備手性復(fù)合膜具有普適性，例如右旋多巴胺和氨基酸類手性物質(zhì)等均可用于制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的手性GO納濾膜。該研究的最大意義在于，通過便捷的手性放大制備即可得到具有多種功能的納米級分子篩分膜，并且價格低廉，容易量產(chǎn)，該方法還可進(jìn)一步延伸用于其他層狀和二維膜功能材料的開發(fā)，工業(yè)化應(yīng)用前景十分廣闊。
參考文獻(xiàn)：Y. F. Zhang; Z. H. Xu; T.T. Zhang; Q. Meng; X. Zhang; C. Shen; Y. H. Lu; G. Zhang; C. J. Gao, Self-assembly?of robust graphene oxide membranes with chirality for highly stable and?selective molecular separation. Journal of Materials Chemistry A 2020, DOI: 10.1039/D0TA05449F.
