从仙人掌植物气孔在白天和高温干燥环境中关闭从而保持内部水分的自然现象获得灵感，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室迈克尔盖佛（Michael D. Guiver音译）教授和他的合作者成功制备出高温低湿条件下具有高离子电导率的自保湿碳氢聚合物离子交换膜。相关成果已于2016年4月28日在国际顶级学术期刊《自然》（《Nature》）第532卷上在线发表，迈克尔教授为共同通讯作者。
这篇题为“纳米级裂缝可调节的自增湿膜”（“Nanocrack-regulated self-humidifying membranes”）的研究论文是迈克尔教授与韩国汉阳大学李永墨（Young Moo Lee音译）教授合作完成的。研究围绕离子交换膜在高温低湿状态下由于膜失水而导致的离子电导率大幅降低的科学难题，从纳米级可调节裂缝疏水涂层进行膜表面改性的基本理论出发，成功制备了高温低湿条件下具有高离子电导率的自保湿碳氢聚合物离子交换膜。
a. 吸水/失水过程中自控调节的纳米裂缝疏水涂层；b. 等离子喷涂疏水层前后膜吸水溶胀及失水收缩后的纳米裂缝原子力显微镜相图；c. 吸水和失水条件下纳米级表面涂层的自调节验证对比图
聚合物膜在离子导电、水过滤、反向电渗析发电、能量储存与转换以及液流电池领域具有重要的应用。由于聚合物电解质膜的含水量直接影响着膜内离子的传输行为，大多数应用都要求膜在相对干燥的条件下仍具有一定的保湿能力。因此膜内水含量的可调节性在质子交换膜燃料电池和反向电渗析应用中尤其重要。研究者往往通过外部增湿系统来保证高温条件下膜的保水能力，但是整体上增加了系统的复杂性和成本，也成为多年来制约工业界质子交换膜燃料电池规模化应用的技术瓶颈之一。为了改善高温低湿条件下由于膜内水分减少导致电导率下降的世界性科学难题，近几十年来，科学家们试图从调整聚合物高分子的化学结构、微观形貌甚至大分子的链段组成来实现膜内亲疏水特性的完美结合，但最终并没有从根本上解决高温下膜保水能力大幅下降的问题。
迈克尔教授等研究者开创性地提出了一种无需外增湿系统的智能自调节保水膜表面改性方法，该方法可应用于任何离子交换膜的表面改性。通过在膜表面喷涂具有疏水性的纳米级涂层，利用膜本身在吸水后的膨胀和失水后的收缩特性实现高保水能力。高湿度时，膜膨胀将疏水涂层撑开，形成较宽的纳米级裂缝，从而保证水和离子的传输通道畅通，此时涂层为开放涂层，水和离子可同时在膜内部及纳米裂缝中间自由传输；低湿度时，膜收缩将疏水涂层裂缝闭合，起到将膜内部的水封闭的作用，此时涂层为封闭涂层，纳米级裂缝充当了阻止膜内部的水分进一步蒸发流失的“纳米级阀门”角色。实验证明，这种先进的设计显著提高了离子交换膜在高温低湿环境中的离子传输能力。
这种巧妙的膜表面改性设计理念得到了国际著名学者的广泛关注和好评。美国得克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所、能源和环境资源中心的著名学者约万凯莫斯（Jovan Kamcev音译）和本尼弗里曼（Benny D. Freeman音译）在《自然》同期“研究新闻评论”（“Research News & Views”）中对于迈克尔等人的文章进行了点评，指出该“有裂缝的涂层防止膜在低湿干燥条件下的失水——是需要保湿膜的燃料电池装置的福音”。同时强调：“该膜在这种低湿度时控制离子交换膜脱水，突破了限制膜性能的科学瓶颈，是一项强有力的技术方法”。并指出：“此项技术将为应用在各种领域的高性能膜材料的进步起到重要的贡献”。
迈克尔教授长期致力于功能膜材料的研究，在该研究领域取得了一系列具有国际高水平的研究成果。迈克尔教授于2014年10月全职进入天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室所属绿色能源中心工作。迈克尔教授目前也是天津化学化工协同创新中心的重要成员。
摘要速递：
Nanocrack-regulated self-humidifying membranes
Nature
doi:10.1038/nature17634
Online 27 April 2016
The regulation of water content in polymeric membranes is important in a number of applications, such as reverse electrodialysis and proton-exchange fuel-cell membranes. External thermal and water management systems add both mass and size to systems, and so intrinsic mechanisms of retaining water and maintaining ionic transport1, 2, 3 in such membranes are particularly important for applications where small system size is important. For example, in proton-exchange membrane fuel cells, where water retention in the membrane is crucial for efficient transport of hydrated ions1, 4, 5, 6, 7, by operating the cells at higher temperatures without external humidification, the membrane is self-humidified with water generated by electrochemical reactions5, 8. Here we report an alternative solution that does not rely on external regulation of water supply or high temperatures. Water content in hydrocarbon polymer membranes is regulated through nanometre-scale cracks (‘nanocracks’) in a hydrophobic surface coating. These cracks work as nanoscale valves to retard water desorption and to maintain ion conductivity in the membrane on dehumidification. Hydrocarbon fuel-cell membranes with surface nanocrack coatings operated at intermediate temperatures show improved electrochemical performance, and coated reverse-electrodialysis membranes show enhanced ionic selectivity with low bulk resistance.
————来源：高分子科学前沿
