CN109499388A - 自组装表面活性剂结构 - Google Patents

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Abstract

基于稳定化的表面活性剂的膜及其制造方法。包含多孔支持体上的稳定化的表面活性剂介观结构的膜可以用于多种分离，包括反向渗透和正向渗透。这些膜在溶剂蒸发之后稳定化；在一些实施方案中不需要移除表面活性剂。表面活性剂溶液可以包含也可以不包含亲水化合物如酸或碱。优选改性多孔支持体的表面，之后形成稳定化的表面活性剂介观结构。这些膜足够稳定以在商业分离器件如螺旋缠绕模块中采用。

Description

自组装表面活性剂结构
本申请是申请日为2011年05月23日、国际申请号PCT/US2011/037605、国家申请号201180035651.9且发明名称为“自组装表面活性剂结构”的之分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月21日提交的题为“经由物理限制的分等级和/或多尺度材料自组装(Self Assembly of Hierarchical and/or Multiscale Materials Via PhysicalConfinement)”的美国临时专利申请系列号61/347,317和2010年11月19日提交的题为“独立式分等级自组装膜(Free Standing Heirarchically SelfAssembled Films)”的美国临时专利申请系列号61/415,761的优先权和申请的权益。它们的说明书和权利要求通过引用结合在此。
发明背景
技术领域
本发明的实施方案采用仿生多尺度自组装体和材料，如从其制造的膜，其使用批次和自动化制造以不同构造制造，以能够进行水性分离和溶质的浓缩。本发明的实施方案还涉及多尺度自组装的方法和从其制成的材料，其中表面活性剂介观结构优选同时自组装并且通过两个以上不连续表面之间的物理限制和/或通过在两个以上侧上的物理限制结合有一种或多种材料。
背景技术
应注意以下讨论可以参考一个或多个作者的多个出版物和公开的年份，并且归因于较近的公开日期，某些出版物不被认为是相对于本发明的现有技术。本文给出这些出版物的讨论用于使发明背景更完善，而不解释为承认这种出版物是用于可专利性判断目的的现有技术。
膜用于分离离子、分子和胶体。例如，超滤膜可以用于从2k道尔顿以上的胶体分离水和分子；离子交换膜可以用于分离阳离子和阴离子；并且薄膜复合膜可以用于从水分离盐。这些膜都使用相同的分离物理学。膜对特定一类或多类离子、分子、胶体和/或粒子的渗透率比另一类或多类的离子、分子、胶体和/或粒子小得多。例如，超滤膜具有防止特定尺寸的分子和粒子的跨越的特定尺寸的孔。该技术被认为是尺寸排阻。反向渗透膜使用溶解度差别分离分子。在典型的薄膜复合膜中，水比氯化钠溶解度大三个数量级。结果是水分子相对盐离子的优选性＞100∶1的材料。实际上，该材料通过阻止99.7％的氯化钠而过滤水。
对于大部分分离膜，膜的渗透率定义为给定的时间段内通过膜的溶剂通量与膜的面积和施加于膜的压力的比例。下面是控制通过膜的通量的公式
通量＝P·(ΔP-Δπ)
其中ΔP是跨越膜的压力，Δπ是越过膜的渗透压力并且P是膜渗透率。膜的渗透率是膜结构参数的函数。结构参数是
其中S是结构参数，τ是曲率，t是厚度，并且ε是膜的孔隙率。曲率定义为通过该材料的两个点之间的距离与两个点之间的最小距离的比例。因为结构参数正比于膜的渗透率，曲率正比于渗透率。
在很多构造中使用用于分离的膜。对于反向渗透(RO)和正向渗透(FO)应用，它们通常配置为螺旋缠绕构造，其中将膜卷绕在空心芯周围。水从芯流入膜封套中并且之后流回芯中。对于压力延缓渗透(PRO)，膜也可以是螺旋缠绕构造。在PRO中，水在压力下流入膜封套中，并且越过膜的渗透梯度将更多的水拉入膜封套中。也可以将用于RO、FO和PRO的膜构造为中空纤维。在中空纤维中，制造了空心多孔圆柱膜。水切向流至膜表面并且纤维中的孔使得能够分离。膜也可以制造为典型地用于蛋白质，病毒，细菌，糖和其他生物材料的浓缩的滤筒。这些膜可以放入使得能够容易地浓缩溶质的盒中。
对于氯碱工艺、蓄电池和燃料电池，阳极和阴极由电解质分隔。该电解质传导阳离子或阴离子并且阻挡电子、阳极液和/或阴极电解液。在一些器件中，电解质是离子交换膜。典型地，离子交换膜将允许阳离子或者阴离子但不是两者通过。离子交换膜可以配置为允许单价和二价离子两者通过或者仅单价离子通过。不希望的溶质跨电解质液的输送被认为是膜交换(Membrane Crossover)。膜交换在阳极和/或阴极建立过电势，并且降低电池的电流效率。膜交换是很多器件如直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、钒氧化还原蓄电池、铁铬蓄电池、流蓄电池等中的限制因素。
在生物学中，水驱动称为脂质的一类表面活性剂在水中自组装，产生充当向细胞中扩散的扩散阻档物的脂质双分子层。测量了模型电池膜对水和多种低分子量溶质的渗透率。脂质双分子层的选择性的典型测量在水悬浮液中利用渗透(又称正向渗透)进行。同样，这些实验的结果显示脂质双分子层具有比商业渗透(又称正向渗透)膜更大的渗透率。模型电池膜是通过水自组装为称为泡囊的结构的磷脂。磷脂具有亲水头基团和疏水的两个脂肪酸尾。泡囊是直径在30nm至20,000nm之间的球形、空心脂质双分子层。脂质双分子层对泡囊内含有的水的体积建立物理阻挡物。典型的渗透率实验由两个步骤组成。第一步是改变含有泡囊的水溶液中溶质的渗透强度。第二步是测量溶质和/或溶剂越过脂质双分子层进入或离开泡囊的扩散。该实验类似于其中通过使用高度浓缩的盐水溶液的膜萃取水的正向渗透工业过程。
这些实验的结果显示双分子层的疏水芯分离不同的低分子量化合物。一个机制是由双分子层中的脂质与双分子层的疏水芯之间的间隙建立的亚纳米多孔性，使得能够具有对于水、质子、不带电荷的低于100分子量的有机物和离子按以上顺序的优先选择性。同样，双分子层的分子结构中的起伏使得能够比预期更快地输送水和质子。此外，这些实验表明通过所使用的脂质的化学结构对选择性的控制。尤其是，脂质双分子层的分离特性依赖于脂质的脂肪酸尾的长度。
发明内容
本发明的一个实施方案包括一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。所述材料任选地是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。备选地，所述材料任选地是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。所述膜优选还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。所述材料优选包括选自由以下各项组成的组的材料：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合到所述表面之前优选将所述表面氧化、熔化和再凝固；在这种情况下所述再凝固表面处的平均孔径优选小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。所述多孔支持体的孔径优选足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。所述膜任选地还包含设置在所述多孔支持体与所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。所述稳定化的表面活性剂介观结构任选地包含输送体。所述膜任选地包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。所述膜优选具有小于大约1.09的曲率。所述稳定化的表面活性剂介观结构优选具有大约0.3埃至大约4nm的孔径。所述膜优选具有大于大约1％的孔隙率。所述多孔支持体优选包含塑料和/或纤维素。所述多孔支持体优选机械稳定化所述稳定化的表面活性剂介观结构。所述膜任选地还包含结合于所述多孔支持体与所述表面相反一侧的第二稳定化的表面活性剂介观结构。所述膜任选地与其他相同的膜层叠，从而形成多层膜。所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面被任选地改性。所述膜任选地包含离子交换膜和/或气体扩散层，所述膜包含膜电极组件或电解质。
本发明的另一个实施方案是一种用于制备膜的方法，所述方法包括：将多孔支持体的表面改性；用第一溶剂湿润所述改性表面；将溶液放置在所述湿润的表面上，所述溶液包含至少一种表面活性剂和至少一种第二溶剂，其中所述至少一种表面活性剂在所述溶液中的分散相中；将所述溶液限制在两个以上限制表面之间；和将所述一种或多种表面活性剂稳定化以在所述多孔支持体的表面上形成稳定化的表面活性剂介观结构。所述第一溶剂和/或所述第二溶剂优选包含水。所述溶液任选地还包含前体溶质和/或输送体。放置所述溶液和限制所述溶液任选地基本上同时进行。限制所述溶液优选包括将所述溶液限制在所述多孔支持体的表面与至少一个第二表面之间。所述至少一个第二表面优选选自由以下各项组成的组：槽侧壁、辊和刀片边缘。改性所述表面优选包括选自由以下各项组成的组的操作：表面官能化；表面接枝；共价表面改性；表面吸附；表面氧化；表面消蚀；表面漂洗；在所述表面上沉积材料，所述材料选自由以下各项组成的组：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅；保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络；以及氧化、熔化和再凝固所述表面，以及它们的组合。所述方法优选作为批量生产涂布处理的一部分进行。所述方法优选还包括控制所述稳定化的表面活性剂介观结构的厚度。所述溶液任选地不包含酸、碱或亲水化合物。在将所述溶液放置在所述表面上之后优选不将所述至少一种表面活性剂从所述溶液移除。所述方法任选地在所述多孔支持体的两侧上进行。所述方法任选地还包括将所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面改性，优选采用表面官能化、改变所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面的疏水性和/或甲基化所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面。所述方法可以被重复以形成多层膜。所述多孔支持体优选包含塑料和/或纤维素。所述方法任选地还包括将第二多孔支持体放置在所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面上，从而将所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。
本发明的另一实施方案是一种正向渗透膜，所述正向渗透膜对于20℃的10重量％NaCl的抽取溶液浓度具有大于大约15LM-2H-1的渗透率。对于20℃的10重量％NaCl的抽取溶液浓度，渗透率优选大于大约20LM-2H-1，并且对于20℃的10重量％NaCl的抽取溶液浓度，渗透率再更优选大于大约60LM-2H-1。所述正向渗透膜优选具有大于大约96％的NaCl阻止率。所述正向渗透膜优选包含一种或多种表面活性剂。
本发明的另一实施方案是一种用于进行分离的器件，所述器件包含活性层，所述活性层包含一种或多种表面活性剂。所述活性层优选包含一种或多种输送体。所述器件优选选自由以下各项组成的组：正向渗透膜或模块、反向渗透膜或模块、压力延缓渗透膜或模块、中空纤维膜、螺旋缠绕膜或模块、筒、切向流过滤器(TFF)筒、板和框架模块、管状膜和袋。所述器件优选包含在两侧涂布有所述一种或多种表面活性剂的多孔支持体。所述一种或多种表面活性剂优选在一个或多个多孔支持体上形成机械稳定化的膜。
本发明的目标、益处和新特征以及更多应用范围将在下面的详述中结合附图部分地给出，并且部分地在细查以下内容之后对本领域技术人员将是显见的，或者可以通过本发明的实践学习。本发明的目标和益处可以通过在所附权利要求书中特别指出的手段和组合的方式实现并获得。
附图说明
结合于说明书中并形成说明书的一部分的附图描述了本发明的数个实施方案，并且与说明书一起，用于说明本发明的原理。附图仅用于示例本发明的一个或多个实施方案的目的，并且不被解释为限制本发明。在附图中：
图1示例层状相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。
图2示例六角相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。
图3示例反六角相中的表面活性剂分子之间的间隙如何可以用于分离。
图4示例将表面活性剂介晶相薄膜自组装局域化至多孔材料的表面的过程。结果是附着于多孔材料的独立式表面活性剂介晶相材料。
图5显示稳定化的表面活性剂介观结构薄膜的实施方案，其中组装局域化至多孔材料的表面。
图6示例用于建立所示的独立式表面活性剂模板化膜的物理限制方法。
图7是经由物理限制的仿生表面活性剂纳米结构组装的示意。
图8示例根据本发明的实施方案的二维多尺度自组装的多种构造。
图9示例膜材料表面化学制备对所得到的材料的通量和阻止水平的影响。
图10显示甲醇的浓差极化对通过仿生表面活性剂纳米结构的通量的影响。
图11显示经由自组装溶液溶质浓度的膜厚度控制及其对渗透率的影响。
图12显示经由物理限制的膜厚度控制及其对于渗透率的影响。
图13是用于制造膜的自动辊对辊式处理的实施方案的示意。
图14显示退火对膜渗透率的影响。
图15显示对称和不对称膜之间的区别。
图16是比较对称和不对称独立式仿生表面活性剂纳米结构的盐的反向扩散的曲线图。
图17显示表面官能化化学对膜疏水性的影响。
图18显示对使用分离和浓缩用平膜的滤筒的实施方案的设计。
图19显示对溶质浓缩用螺旋滤筒的实施方案的设计。
图20显示对水净化用螺旋滤筒的实施方案的设计。
图21示例压力对根据本发明的膜的实施方案的阻止水平的影响。
图22示例机械背衬对膜的实施方案的长期稳定性的影响。
图23示例膜的实施方案用于浓缩甲醇的用途。
图24测量醇对不同的支持体的影响。
图25示例下方支持体对乙醇分离的影响。
图26示例膜的实施方案用于浓缩甲醇的用途。
图27示例通过膜的实施方案的NaCl阻止。
图28示例通过膜的实施方案的MgSO4阻止。
图29显示多层膜的实施方案的截面。
图30显示3 BSNS层膜的实施方案的乙醇阻止。
图31显示4 BSNS层膜的实施方案的丁醇阻止。
图32显示下承板穿透电导率、甲醇渗透率和仿生表面活性剂纳米结构的稳定性。
图33是电化学电池中使用的多尺度自组装膜的示意。
具体实施方式
发明详述
定义
在整个说明书和权利要求书中使用的以下术语定义如下：
“两亲”意指具有溶剂优选和溶剂排斥区域两者的分子。
“亲水”意指水优选的。亲水化合物和表面具有高表面张力。
“疏水”意指水排斥的。疏水化合物和表面具有低表面张力。
“表面活性剂”意指具有至少一个亲水区域和至少一个疏水区域的两亲物的类型。设计为用表面活性剂工作的系统很可能可以用所有两亲物工作。
“磷脂”意指细胞膜的主要成分。这些分子在水中自组装为泡囊并且在低表面张力溶剂中以分散相存在。
“层状”意指包含多个层或双分子层。
“介晶相”意指通过一种或多种溶剂与一种或多种表面活性剂之间的相互作用形成的表面活性剂液晶结构。
“胶束相”意指表面活性剂的球形相，其中使表面活性剂的疏水区域位于胶束内而隐藏于主体溶液。
“临界胶束浓度”意指高于该浓度时表面活性剂排序为胶束的浓度。
“六角相”意指表面活性剂圆柱体的二维六角排列，其中表面活性剂的疏水区域在圆柱体内侧。
“反”意指其中亲水区域在结构的内侧的表面活性剂结构。例如，油中的表面活性剂形成其中亲水头在胶束内而隐藏于主体溶液的反胶束。
“稳定化的表面活性剂介观结构”意指在移除溶剂之后保持其结构的介晶相。
“自组装表面活性剂薄膜”意指厚度典型地小于或等于十微米的膜，其中膜的一个组分是介晶相。
“仿生膜”意指包含输送体的单个磷脂质双分子层。
“仿生表面活性剂纳米结构(“BSNS”)”意指组装在多孔支持体上的层状稳定化的表面活性剂介观结构，其可以包含也可以不包含输送体。
“输送体”意指调节特定种类的离子、分子、分子的复合物、生物结构体和/或胶体粒子的输送速率的分子、分子的复合物、结构、蛋白质、沸石、离子通道、膜蛋白质、碳纳米管、环糊精，或者任意其他结构。
“独立式”意指表面活性剂模板化薄膜，其中膜的两侧可达到溶液并且膜不必须由物理阻挡物限制。
“支持”意指组装在第二材料上以使得第二材料对第一材料赋予机械稳定性而不消除其所有的功能的材料。
“中空纤维膜”意指空心多孔圆柱结构体。除了该材料是多孔的以外，它类似于麦秆。该材料典型地用于水性分离。
“膜/半透膜”意指用于将离子、分子、蛋白质、酶、病毒、细胞、胶体和/或粒子中的特定类型与其他类型分离的材料。
“机械背衬”意指用于增加第二材料的机械稳定性的固体或多孔支持体。
“浓差极化”意指在过滤过程中，膜的表面处的化合物的局部浓度与该化合物的主体浓度不同。
“反向渗透”意指使用压力分离盐和水的过程。
“正向渗透”意指使用渗透梯度建立水通量的过程。
“压力延缓渗透”意指使用渗透梯度和压力由正向渗透获得能量的过程。
“膜交换”意指不希望的分子或离子物种的越过电解质的输送。
“过电势”意指半电化学电池的电势从理论预期值的减少。膜交换可以是半电化学电池的过电势的一个原因。
材料制备方法的定义
以下方法用于制备用于表面活性剂模板化溶胶-凝胶薄膜的组装的表面。在另外的进一步制备之前，将每个材料在水、乙醇中漂洗，之后干燥。在使用之前将所有的材料储存在水中。UV光源为来自UVP的臭氧生成笔灯(ozone producing pen lamp)。
“仅漂洗”-在漂洗之后不进一步处理该材料。
“UV清洁”-将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过1分钟。在处理之后，将材料储存在水中。
“UV清洁网”-将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过1分钟。在处理之后，将材料储存在水中。在自组装溶液沉积之前，将微孔性筛放置在物理限制单元中的固体表面与膜之间。
“H2O2沸腾”-将材料在热(＞20℃)过氧化氢中漂洗一小时。
“H2O2沸腾TEOS”-将材料在热(＞20℃)过氧化氢中漂洗一小时。之后，使该材料吸入二氧化硅储液，将其空气干燥至少三小时，并且最终在＞80℃固化大于三小时。
“UV TEOS”-将材料暴露于来自笔灯的臭氧生成UV光超过1分钟。之后，使该材料吸入二氧化硅储液，将其空气干燥至少三小时，并且最终在＞80℃固化大于三小时。
表面活性剂介观结构
表面活性剂介观结构可用于根据本发明的实施方案的分离。存在至少三种独立的用于使用表面活性剂介观结构分离的机制。第一种包含使用介观结构中表面活性剂之间的间隙。间隙用于分离具有多个益处，包括但是不限于低曲率、可调孔径、可调表面电荷以及或者是非极性的或者是极性的孔。此外，容易控制介观结构中表面活性剂的厚度。第二种机制是通过缺陷的分子输送，使得薄膜具有选择性。这些缺陷可以是分子水平的(例如缺失分子或差匹配的分子)和/或宏观水平的(例如来自沉积过程中的湿润不稳定性)。第三机制是表面活性剂介观结构自身可以经由形成过程中夹带溶剂而形成孔。在形成之后，可以将溶剂移除以使得能够输送或者可以类似于生物学中的水线保持以使得能够输送。虽然本发明的这个实施方案由生物(例如细胞)膜得到灵感，它优选不包含仿生膜，因为本发明需要材料纳米科学以稳定化自组装表面活性剂薄膜并且将它们与器件整合在一起。本发明的这个实施方案还优选不是表面活性剂模板化的溶胶-凝胶材料，因为它优选利用表面活性剂介观结构的物理性质分离化合物，而不是利用表面活性剂建立适宜的溶胶-凝胶结构。换言之，本发明的实施方案优选采用表面活性剂，而不是无机溶胶-凝胶结构如二氧化硅或二氧化钛，以形成稳定化的表面活性剂介观结构体的结构。本发明的实施方案包括稳定化的表面活性剂介观结构，其包括但是不限于脂质双分子层，用于分离，包括但是不限于渗透。
稳定化的表面活性剂介观结构的适宜的渗透率和分离能力与本发明的实施方案的最简单的类型相关：以层状相组装的表面活性剂的一维结晶。这类中的一个特定的实施方案是脂质双分子层的z维度薄片。脂质双分子层使用由脂质尾组成的油相中分子的能量损失建立溶解度屏障，限制越过膜的输送。该机制可以通过溶解度扩散模型模拟。水和质子通过膜中形成的自发孔穿越膜，如图1中所示。图1A是层状双分子层表面活性剂结构的侧截面图。表面活性剂的亲水区域由点画灰色圈表示。表面活性剂的疏水区域由两条黑色点画线表示。箭头显示表面活性剂之间分子的路径。图1B是层状双分子层表面活性剂结构的顶视图。灰色圈表示表面活性剂。黑色点表示使得能够通过该结构输送的表面活性剂之间的间隙。
该实施方案不同于在表面活性剂内包含离子通道和/或另外的输送体的传统的仿生膜。在那些系统中，跨膜输送是通道或输送体的功能。本发明的这个实施方案是不包含输送体或离子通道的膜。备选地，本发明的其他实施方案可以包含一种或多种输送体，但优选为多层并且因此不是仿生膜。
X射线衍射测量确定脂质的直径为假设平面中的脂质局部密堆积并且可以表示为圆圈，则标记在脂质之间的圆圈的直径为用于参照，键长度典型地为约至约这使得表面活性剂能够在原子水平进行尺寸排阻分离。在该类型的实施方案中，X射线实验显示单个双分子层的两侧之间的距离为大约通过单个双分子层的分子的最大/最小路径长度为大约最大路径长度当一层脂质落在另一个脂质层的间隙上时出现。因此，单个双分子层的曲率为约1.09至1.00。在用于自组装介晶相的最小的情况下，材料的曲率为1.00，通过定义最小曲率是可能的。本发明的膜的曲率优选大约接近于单个脂质双分子层的曲率。这使得本发明的膜能够具有优选小于0.5mm，并且更优选小于约0.1mm的结构参数。材料科学技术优选将所要形成的z-维度薄片的数目控制为一至一千。溶胶-凝胶层的水输送效果可忽略，因为孔隙率高，厚度为数个分子，并且曲率接近一。
在层状类型的实施方案中，可以通过使用不同的尺寸和形状的表面活性剂和表面活性剂的混合物控制薄片的孔隙率。例如，当将表面活性剂模型化为圆圈的平面时，表面活性剂之间的空隙孔的直径为表面活性剂的直径的15.5％。例如，单链表面活性剂具有比脂质更小的面内面积。结果是膜包含更小的孔。在一个实施方案中，使用本发明中包括的多种方法将脂质双分子层的薄片组装在微孔性支持体上。如所预期的，当与目前的正向渗透膜比较时，稳定化的表面活性剂介观结构具有更高的对水的渗透率。在该实施方案中，表面活性剂为层状相。后面将详细描述该实施方案。该实验的结果总结在表1中。如可以看出的，本实施方案的稳定化的表面活性剂介观结构的渗透率为典型的商业FO膜的大约五倍。因此本发明对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20℃可以具有大于15LM-2H-1，更优选大于20LM- 2H-1，并且再更优选大于60LM-2H-1的渗透率。此外，对于这些膜，NaCl的阻止为大于大约96％。
膜 渗透率 抽取溶液浓度
商业FO膜 15LM<sup>-2</sup>H<sup>-1</sup> 10重量％NaCl
稳定化的表面活性剂介观结构 75.5LM<sup>-2</sup>H<sup>-1</sup> 10重量％NaCl
表1
在细胞中，脂质膜用于使得能够选择性地输送进入和离开细胞而不使用外部压力。下面是水(表2)、离子(表2)和小分子(表3)越过脂质双分子层的实验测量渗透率的概述。在没有离子通道的情况下，水比其他离子和分子更快地透过脂质双分子层。在有短杆菌肽离子通道的情况下，水和单价离子渗透率增加，产生增强的水从分子的分离效率和降低的水从单价离子的选择性。由脂质双分子层中10％密度的短杆菌肽的通量(ml/分钟)计算含有短杆菌肽的膜的渗透率。用于计算，使用每个脂质(溶剂)的面积，每0.596nm2一个分子，代替每个短杆菌肽(溶质)的面积。短杆菌肽的面积为作为双分子层中10％的分子计算的10％。通过假设8∶1水与钾离子计量比计算钾通过含有短杆菌肽的膜的渗透率。使用公知的0.338的钠与钾的电导率比从钾输送计算钠输送。
表2
甲醇 乙醇 丁醇 尿素 甘油
渗透率(cm/秒) 1.20×10<sup>-5</sup> 3.80×10<sup>-5</sup> 1.20×10<sup>-</sup>w 3.40×10<sup>-6</sup> 6.20×10<sup>-6</sup>
渗透率(LM<sup>-2</sup>H<sup>-1</sup>) 0.432 1.37 43.2 0.122 0.223
表3
不同的输送体可以任选地用于改变选择性。令人感兴趣的输送体包括，但是不限于，用于快速水透过的水通道蛋白(aquaporin)、化学改性的天然通道，其中一些增加水渗透率(例如二乙基固醇酰基短杆菌肽(desformylgramicidin))，和/或化学改性的天然通道，其中一些影响对于特定离子和/或分子的选择性(例如改性α溶血素)。水通道蛋白和二乙基固醇甲酰基短杆菌肽与短杆菌肽A比较具有大于100×的增加的水通量。水相对其他溶质在渗透率上的差别使得脂质双分子层对于分离，尤其是用于低压力应用是理想的。
在本发明的另一类实施方案中，稳定化的表面活性剂介观结构或者为六角相或者为反六角相。在六角相中，表面活性剂自组装为圆柱体的六角点阵，其中表面活性剂的疏水区域从圆柱体之间的亲水间隙隐藏。该结构可以用于分离，如图2中所示。表面活性剂的亲水区域由点画灰色圈表示。表面活性剂的疏水区域由点画黑线表示。图2A是六角相的六角堆积的顶视图。图2B是以密堆积构造组织的表面活性剂的六角相的侧切面视图。在图2A和图2B两者中，交叉阴影面积优选包含固体、非多孔稳定化材料，例如二氧化硅、有机聚合物或介观结构中表面活性剂的一些或全部上的可聚合基团。图2C是六角相中单个表面活性剂圆柱体的顶部俯视图。箭头显示表面活性剂之间的分子的路径。在材料的组装过程中，可以将疏水分子在圆柱体内溶剂化。在组装之后，可以将它们保留或移除。两种方法都使得能够通过该材料输送。图2D是六角相中的一个圆柱体的侧切面视图。箭头显示表面活性剂之间的分子路径。
在反六角相中，它们自组装为圆柱体的六角点阵，其中从圆柱体朝向疏水间隙，表面活性剂的亲水区域面向内并且表面活性剂的疏水区域面向外。该相也可以用于分离，如图3中所示。表面活性剂的亲水区域由点画灰色圈表示。表面活性剂的疏水区域由点画黑色线表示。图3A是反六角相中圆柱体的六角堆积的顶视图。图3B是组织为密堆积构造的表面活性剂的反六角相的侧切面视图。在图3A和图3B两者中，交叉阴影面积优选包含固体、非多孔稳定化材料，例如二氧化硅、有机聚合物或介观结构中表面活性剂的一些或全部上的可聚合基团。图3C是反六角相中单个表面活性剂圆柱体的顶视图。箭头显示表面活性剂之间的分子路径。在材料的组装过程中，可以将亲水分子在圆柱体内溶剂化。在组装之后，它们可以保留或被移除。两种方法都使得能够穿过该材料输送。图3D是反六角相中的一个圆柱体的侧切面视图。箭头显示分子穿过表面活性剂圆柱体的路径。六角和反六角结构两者都允许利用六角圆柱体内侧进行分子的分离。六角圆柱体内的孔的尺寸可以通过至少两种机制控制。第一机制是选择一种或多种表面活性剂以形成该结构。表面活性剂不能完美地堆积以分别对于反六角相或六角相在亲水表面活性剂头或疏水表面活性剂尾之间的间隙中产生孔隙率。作为不完美堆积的模型，西曲溴铵(CTAB)胶束的直径大约但单个分子的长度大约这显示在直径上大至的分子适合穿过胶束。因为六角相中表面活性剂圆柱体的薄片为二维胶束，它具有与三维胶束相同的孔隙度这些分子的实例包括直链的分子，例如但是不限于烷烃、链烯、烯属烃、醚和酯，因为端部的甲基具有大约的直径。在一个实施方案中，疏水区域的差堆积可以通过使用一种或多种具有大亲水区域或大和/或支化疏水区域的表面活性剂建立。
用于控制六角圆柱体内孔的尺寸的第二种机制是在自组装过程中结构(六角和反六角两者)内的圆柱体溶剂化溶液。在自组装之后可以也可以不将溶液抽出。抽出溶剂的简单方法包括但是不限于在组装之后蒸发或漂洗。溶液的量和化学组成限定圆柱体内的孔。对于六角相介观结构，疏水溶液将在六角圆柱体的内部溶剂化。疏水溶液的实例是烷烃、酯和醚。对于反六角相介观结构，亲水溶液将在六角圆柱体的内部溶剂化。亲水溶液的实例是水、甘油、乙二醇和其他高表面张力溶剂和任意附随溶质。
可以选择单个表面活性剂或表面活性剂的组合以设计表面活性剂介观结构的选择性。例如，磷脂的链长度被显示为调节越过膜的输送。类似地，已知胆固醇影响生物学膜的结构。例如，单链阳离子表面活性剂(例如CTAB)与阴离子表面活性剂(例如十二烷基硫酸钠)的一摩尔比一摩尔混合物将形成紧密堆积层状结构，因为堆积全部头基团的焓损失因电荷平衡而降低。结果是与脂质比较，层状层内的表面活性剂的堆积更密。备选地，在其中头基团容易带电的情况下可以使用单个表面活性剂或其混合物。结果是与脂质比较，层状层内表面活性剂较松的堆积。表面活性剂的尺寸失配也可以用于影响堆积。例如，一个表面活性剂(例如二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱)可以具有其他表面活性剂(例如CTAB)两倍的面积。归因于不完美的分子尺寸，所得到的结构可能不能获得密堆积结构。非密堆积结构的结果是表面活性剂之间更大的空隙孔径，使得与脂质比较能够具有更大的通量和更小的选择性。很多因素影响最终的表面活性剂介观结构，包括但是不限于该结构中表面活性剂的直径比，每一种表面活性剂的相对浓度，表面活性剂的代表性圆锥形状、温度以及该结构的组装的热动力学。例如，脂质的堆积密度通过胆固醇的包含而调制。胆固醇是位于双分子层的间隙中的平面分子，减少分子之间的空隙空间。结果是与脂质比较，层状层内表面活性剂的更紧密的堆积。
本发明的实施方案包括在表面活性剂纳米结构中产生宏观缺陷的方法。在该类型的实施方案中，在组装处理过程中在纳米结构中产生缺陷。在一个实施方案中，膜过快沉积，归因于湿润不稳定性产生条纹缺陷。这些缺陷的尺寸可以是约1nm至约10,000nm中的任意值。
本发明的实施方案包括与层状、六角和反六角介晶相不同的表面活性剂介晶相的使用以进行分离。单种表面活性剂可以形成数个相，包括但是不限于层状相、六角相、立方相、反立方相、管状相和胶束相。表面活性剂可以表示为圆锥部分。表面活性剂具有类似饼片、楔和圆柱体的形状。所使用的一种或多种表面活性剂的形状和浓度直接影响相的形状。此外，可以选择表面活性剂的混合物以使得表面活性剂配分至特定相中。例如，胆固醇优先配分至饱和脂质相中，并且反圆锥表面活性剂(例如二癸基二甲基溴化铵和二棕榈酰磷脂酰乙醇胺)将优先地配分至立方相中。这些的混合物的选择可以产生独特的形状和结构。所得到的表面活性剂相可以是层状、管状、无序的、立方、反立方，或任何其他形状。表面活性剂可以通过很多技术稳定化。溶胶-凝胶化学可以用于稳定化表面活性剂。稳定化化学包括由化学前体形成的二氧化硅、氧化铝和二氧化钛。前体可以是烷氧基前体。例如，原硅酸四乙酯(TEOS)是二氧化硅的前体。表面活性剂也可以通过附着至表面活性剂的聚合基团稳定化。例如，可以将包含环氧基的表面活性剂交联以稳定化介观结构。
本发明的这个实施方案优选不是表面活性剂模板化溶胶-凝胶材料。表面活性剂模板化溶胶-凝胶材料使用表面活性剂液晶介晶相建立所需纳米结构的逆向复制品。采用表面活性剂模板化材料，典型地经由在400℃煅烧，将表面活性剂移除。大量种类的材料(例如塑料)被移除表面活性剂所需的抽出方案破坏和/或损坏。相反，该实施方案优选使用保留的表面活性剂介晶相作为使得能够分离的活性层。该结构不再需要高温、激烈的溶剂抽取和/或氧化步骤以移除表面活性剂，使得能够与塑料一起使用本实施方案的材料。
本发明的这个实施方案优选使用独特的方法制成自组装表面活性剂薄膜。典型的表面活性剂模板化溶胶-凝胶方法需要一种疏水化合物、一种亲水化合物、表面活性剂以及作为溶剂的水和醇的混合物。疏水化合物典型地包含金属前体，即原硅酸四乙酯(TEOS)。亲水化合物典型为酸或碱。相反，在本发明的实施方案中，为形成自组装表面活性剂薄膜或稳定化的表面活性剂介观结构，不需要使用亲水化合物。
独立式表面活性剂模板化薄膜
自组装表面活性剂薄膜难以组装在多孔膜上。自组装具有的挑战是有序与无序状态之间的能量差最多为大约4.0-5.0kcal/mol，即氢键的能量。用于比较，碳-碳双键中的π键(在很多聚合物反应中使用的键)含有63.5kcal/mol。因此组装的热动力学上的差别显著地影响最终的结构的形成。例如，三开尔文是形成焓的百分之一。另外的挑战是材料在溶液相中组装。这给出了当使用多孔材料时的挑战，因为溶液将渗透至材料中。一旦溶液渗入多孔介质，表面活性剂的自组装可能被破坏。本发明的实施方案包括：局域化表面活性剂介晶相的组装以防止它们的破坏的方法，化学制备和/或改性表面以能够在所需材料上产生表面活性剂介晶相的方法，以及使得表面活性剂介晶相的组装能够建立所需的结构和材料用于包括但是不限于分离的所有的应用的方法。
虽然本发明的实施方案包括稳定化的表面活性剂介观结构用于分离的用途，在本发明中描述的机制、方法和应用可应用于全部自组装表面活性剂薄膜，包括仿生薄膜、表面活性剂模板化溶胶-凝胶材料、混合仿生溶胶-凝胶材料、溶胶-凝胶模板化薄膜和嵌段共聚物。以下是其他可应用自组装薄膜化学的描述。
本发明的实施方案包括：表面活性剂模板化纳米结构在通过两个以上分立表面和/或在两个以上的侧上的物理限制下由溶液自组装，使得能够建立一种独特类型的材料，其优选具有表面活性剂模板化纳米结构的一个或多个特性。实例表面活性剂模板化纳米结构可以经由模板化溶液的物理限制自组装，这与由Brinker等描述的那些(美国专利号6,264,741)和其中的引用文献类似。该溶液典型地包含至少一种疏水化合物、一种亲水化合物以及至少一种两亲表面活性剂。经典地，随着将溶剂移除，溶液可以超过表面活性剂的临界胶束浓度以诱导物理限制的体积中纳米结构的形成。溶液可以包含由外部电磁场、温度和/或老化触发的引发剂。在形成之后，可以洗涤材料以移除过量的溶液或抽取表面活性剂。也可以经由煅烧移除表面活性剂。换言之，随着溶剂蒸发，二氧化硅在表面活性剂结构周围致密化，产生表面活性剂相的三维逆向复制品。该方法使得能够控制孔径，这对于分离是尤其有用的。
由生物表面活性剂(例如磷脂)形成的结构(参见，例如，美国专利公布号2007/0269662)可以以层状相制备以阻挡输送或经由输送调节分子如离子通道的结合以限定材料的孔，典型地不移除表面活性剂。该结构是仿生表面活性剂纳米结构(“BSNS”)，其具有相似于之前描述的表面活性剂模板化纳米结构的表面活性剂限定的结构，并且任选地包括部分地或完全溶剂化的表面活性剂相的主动或被动调节越过膜的输送(“输送体”)的另外的功能。通过将这些膜与电化学电池的组件共组装或共组装至电化学电池中作为电解质，它们具有减少水性分子和/或离子的“交换”的潜在可能。通过在Nafion膜之间组装这些膜，可以建立独立式表面活性剂模板化膜。很多分子，大分子组装体、聚合物、蛋白质等被溶剂化并且可以充当脂质双分子层中的输送体。可以使用任意一种或多种表面活性剂，包括但是不限于天然脂质，包括用于提纯蛋白质、膜蛋白质和离子通道的表面活性剂。该方法的简单性质使得能够简单放大至商业制造和现有的制造后膜处理。根据本发明制造的分级结构具有包括以下各项的应用：光学、分离、燃料电池、能量储存、能量转化、化学制造、离子交换、纯化、电化学、表面涂布、隔离、用于医疗诊断的生物监测和/或环境监控、化学和生物学战用毒剂隔离和调节器开发。物理限制可以用于将BSNS与尺寸排阻膜、离子交换膜、气体扩散层、催化剂和/或在电化学电池中使用的其他材料集成，任选地经由多尺度自组装。
虽然对于包含输送体的表面活性剂模板化纳米结构示例了天然脂质的使用，可以任选地使用其他表面活性剂。例如，已经用于纯化膜蛋白质的表面活性剂具有潜在可能同时模板化纳米结构并嵌入离子通道。其他模仿脂质的表面活性剂可以用于增加所得到的纳米结构的稳定性、电阻或其他物理性质。表面活性剂的实例是Brij、十二烷基磺酸钠、阴离子表面活性剂如月桂酰硫酸钠、全氟辛酸盐、全氟辛磺酸盐、或十二烷基硫酸钠，阳离子表面活性剂如十六烷基三甲基溴化铵，或两性离子表面活性剂如1，2-二-O-十四烷基-sn-甘油基-3-磷酰胆碱。任意的两性离子表面活性剂是特别感兴趣的，尤其是如果表面活性剂自发地自组装为泡囊。
所感兴趣的输送体可以包含天然或者合成通道。在表面活性剂模板化纳米结构中可以包含一个或多个通道作为输送体以控制渗透率、输送和将分子梯度转化为其他形式的能量。通道可以是被动的，以允许被动选择性膜输送(例如短杆菌肽)，可以是主动的，以允许对抗自由能势的膜输送(例如视紫质)，主动的以允许在选择性条件下(例如电压控制的通道)的被动膜输送，和/或主动的以允许使用被动膜输送(例如ATP酶)的分子转化。此外，当由包括电磁场、压力和化学识别的外部刺激活化时，输送体可以联合工作。输送体可以主动地驱动对抗自由能梯度的输送。组装在多孔表面之间的具有仿生表面活性剂纳米结构的材料用于透析、分离、电化学电池、燃料电池和蓄电池是特别令人感兴趣的。这些通道可以建立具有亚纳米孔径的膜用于多种电解应用，包括燃料电池。非生物学输送体可以被包含在包括但是不限于碳纳米管的仿生表面活性剂纳米结构中。很多分子、大分子组装体、聚合物、蛋白质等在脂质双分子层中溶剂化。这种类型的结构可以经由被动扩散的选择性调节或主动调节控制越过脂质膜的输送。膜中可以包含活性酶或合成变体以制造高电压蓄电池、化学-电能转换、光-化学能量转换和/或光-电能量转换。
本发明的实施方案采用表面官能化化学以使得能够进行和/或增强表面活性剂介晶相的组装。表面官能化化学改变材料的一种或多种表面性质而不改变主体性质。表面官能化化学的一个实例是在硅晶片上组装十八烷基三氯硅烷的自组装单层(SAM)的化学。晶片的表面变得疏水但机械和光学性质保持相同。表面活性剂与化学改性表面之间的相互作用驱动自组装并且在组装之后赋予薄膜稳定性。这在固体表面上自组装单层的组装中被很好的研究。例如，十八烷基三氯硅烷的单分子层可以组装在硅晶片上以使得表面疏水。关于表面活性剂双分子层(即支持脂质双分子层)的以前的研究证实了基板制备对最终材料的物理性质的效果。本发明的实施方案使得表面活性剂介晶相能够组装在固体和多孔支持体上。典型的表面官能化化学包括表面接枝、共价表面改性、表面吸附、表面氧化、表面消蚀和表面冲洗。化学品可以在液相和/或蒸气相中沉积。可以共价结合至表面的分子包括但是不限于硅烷、有机物、无机物、金属和金属氧化物。金属氧化物是令人感兴趣的，因为它们可以显著地增加材料的表面张力。例如，烷基硅烷的组装可以使得亲水表面疏水。表面改性也可以使得能够排序和组装表面活性剂。例如，钙可以使得能够组装表面活性剂；将钙掺杂到支持材料中可以减少表面活性剂介晶相中的缺陷。对于另一个实例，二氧化硅可以稳定化脂质的氢键网络。在一个实施方案中，表面官能化化学用于用二氧化硅涂布聚醚砜超滤膜。结果是通过表面活性剂介晶相组装对溶质增强的阻止，这是有序的层状相中改善的组装的结果。
本发明的实施方案采用表面活性剂介观结构组装的局域化，其尤其可用于防止多孔表面被自组装溶液湿润。如果自组装溶液润湿多孔表面，介观结构可能被破坏。一个局域化机制是通过在发生组装的界面处利用溶剂和/或溶质的加入的相变驱动表面活性剂溶液。在一个实施方案中，首先将多孔材料用水溶液(溶液1)基本上饱和。之后，将包含TEOS、二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)、乙醇和水的自组装溶液(溶液2)沉积在表面上。当沉积在表面上时DMPC优选在溶液2中的气体相中。溶液1和溶液2在多孔材料的表面混合。归因于水浓度上的增加，DMPC被驱策至层状相。在这个实施方案中，DMPC的自组装优选通过溶液在粘度和不透明性上的迅速增加而目测。该方法使得能够迅速自组装并且可以重复以组装多个层。例如，在溶液2的沉积之后，可以施加溶液1的另一次涂布，之后是溶液2的涂布。
该机制在图4中示例。将多孔支持体用溶液(溶液1)润湿。引入后继溶液(溶液N)。通过分别加入溶液N和/或溶液1，经由相变驱动溶液1或溶液N中的表面活性剂。在以一个或多个水平的溶质组装之后，可以引入第二组溶液(溶液1和溶液N)以重复该过程和/或加入另外的涂层。表面活性剂介晶相自组装在溶液1与溶液N之间的界面处出现。最终的材料是独立式分级材料，优选附着于支持体，其具有自组装表面活性剂介观结构和支持体两者的性质的一些或全部。该技术尤其可用于在多孔支持体上组装。在所得到的材料中可以出现的这种性质的实例包括离子和分子输送的控制，增加薄膜耐久性，和/或用公知的抗菌纳米粒子保护和/或包裹薄膜。
在一个实施方案中，将多孔膜用极性溶剂湿润。在这个实施方案中，极性溶剂是溶液1。极性溶剂可以包括水、乙二醇、甘油或它们的混合物。极性溶剂可能或可以是酸性或碱性的。随后，将有机溶剂中的自组装溶液的等分试样沉积。在这个实施方案中，有机溶剂是溶液N，其优选包含表面活性剂。在该特定实施方案中，溶液N在有机溶剂中包含5重量％原硅酸四乙酯(TEOS)、1重量％DMPC。有机溶剂可以包含，但不限于，一种或多种醇、烷烃、酯、醚，或它们的混合物。在两种溶剂的界面，通过相变驱动表面活性剂以通过溶液1的存在形成表面活性剂介观结构。最终，溶剂蒸发驱动二氧化硅的组装以在溶液1与溶液N之间的界面稳定化表面活性剂介观结构。图5示例了该结构的板层模型，结构的示意图，以及在界面组装之前(左)和之后(右)的亲水特弗隆膜的图像。
自组装膜内的组装和薄膜与多孔表面的组装使其成为多尺度自组装材料。如图5中所示，在微观尺度上是两种膜A和B的组装。在这个实施方案中，A是纳米结构化的薄膜并且B是多孔膜。在纳米尺度上是在A中和在放大的C中两者中所示的二氧化硅和脂质双分子层的交替薄片的组装。在脂质双分子层内是任选的离子通道，短杆菌肽(C中的β带结构)。在该照片中，左侧是涂布之前的膜并且右侧上是涂布之后的膜。膜是具有0.1微米孔的亲水PTFE并且标称直径为47mm。右侧膜的黄色彩来自在上面描述的实施方案中使用的来自Avanti Polar Lipids(Alabaster，AL)的Soy PC(95％)脂质的天然颜色。
其他方法可以用于局域化自组装。自组装可以通过改变一种或多种热动力学变量和/或通过电磁场的施加而诱导，所述热动力学变量包括温度、压力、体积和/或分子的数目。包括光能、紫外光、电泳场和/或交流电电场的外部刺激可以引导组装以排列分子、孔或通道。光和外部电场两者都可以引导模型、胶体系统的组装。
物理限制制造方法
本发明的实施方案采用表面活性剂自组装溶液的物理限制，其优选同时模板化膜结构，驱动膜组装，并且将薄膜与用于物理限制的表面组装，从而产生单个独特的材料。在基于物理限制的自组装的过程中，多尺度组装和分级组装都可以发生。在本发明的实施方案中，可以存在很多尺度的组装，如纳米结构化的薄膜内的纳米尺度上的自组装和纳米结构化的薄膜与用于物理限制的一个或多个表面之间的宏观尺度上的自组装。在本发明的实施方案中，可以存在很多水平的组装，包括分子内组装(例如表面活性剂-表面活性剂组装)、分子组装(例如二氧化硅缩合)、材料组装(例如与表面组装的薄膜)、基于表面活性剂与溶剂的相互作用的组装，以及基于表面与自组装溶液的相互作用的组装。
限制表面的物理和化学拓扑学的相互影响，用于诱导组装的方法，以及自组装溶液的混合物都可以决定材料的最终结构。独特类型的表面可以经由本发明与表面活性剂模板化纳米结构结合，包括但是不限于具有以下特性中的一种或多种的表面：固体、多孔、化学分层的(例如自组装在表面上或化学旋涂在固体表面上的薄膜)、物理分层的(例如固体表面的顶部上的一种或多种表面)、包括宏观特征、包括微观特征、包括非径向对称表面、不能形成稳定的弯月面、大于二维的物理特性和/或非均匀表面化学。用于组装的表面可以设计用于改性和/或在组装之后移除而不破坏余下的材料，以使得可以将表面在组装之后移除而不完全毁灭材料。本发明的实施方案优选包括合理设计、同时组装、模板化和整合表面活性剂模板化纳米结构的鲁棒方法。分级组装可以在单个步骤中制造材料，其通常将需要多个步骤，例如膜电极组件、传感器或开关。
自组装表面活性剂薄膜在多孔塑料支持体上的组装的两个重要方面是支持体的表面官能化化学和界面聚合方法。与物理限制方法一起考虑，这些使得能够形成最终的材料，即在多孔塑料支持体的表面的自组装表面活性剂薄膜。
本发明的表面活性剂介晶相的实施方案可以进行分离。组装方法和所得到的仿生表面活性剂纳米结构在图6中示出。在这个实施方案中，使用在实施例部分中的“材料制备”中定义的多种方案之一，制备两个膜或多孔表面作为用于自组装溶液的支持体。方案的重点包括但是不限于用溶剂清洁表面、表面氧化和/或表面化学沉积。该材料由与仿生表面活性剂模板化溶胶-凝胶薄膜结合的两种PES膜组成。使两个聚醚砜(PES)膜浸渍在18.2MΩ水中，之后将其放置在两个不同的平特弗隆片(用于物理限制)上。将等分试样(～500μl)的在二氧化硅储液中的10重量％的10mol DLPC∶1mol短杆菌肽经由微吸液管分配在PES膜中的一个上。使用由特弗隆背衬的第二Nafion膜将BSNS溶液夹在两个膜之间，如图6A中所示。这些片允许彼此接触地放在一起。将样品在室温干燥超过一小时，之后加热至80℃超过3小时。最终，为模拟膜电极组件的组装，将一些样品加热至超过130℃持续15分钟。在缓慢地冷却样品之后，移除特弗隆材料以产生独立式膜，如图6B中所示。在这个实施方案中，将特弗隆用于物理限制。备选地，可以使用任意固体表面，包括金属、塑料、陶瓷、玻璃和有机物(例如木头)。膜为4cm×4cm。该限制同时驱动所得到的膜与物理限制组件的组装和结合。
图7是在这个实施方案中的结构中所得到的仿生表面活性剂纳米结构结构体的示意：两个支持多孔材料将具有交替的二氧化硅层和脂质双分子层的层状纳米结构夹在中间。该材料是多尺度自组装材料。微观尺度组装体是三个膜(A、B和C)的组装体。在这个实施方案中，A和C是多孔膜并且B是纳米结构化的薄膜。纳米尺度的组装是层状交替的二氧化硅层和脂质双分子层(B和D)。在脂质双分子层内的是离子通道，短杆菌肽(D中的β带结构)。备选地，可以仅使用支持多孔材料(A或C)中的一个。
物理限制也能够使用辊涂。自组装溶液夹在多孔支持体材料与圆柱辊之间。可以控制辊的温度以控制溶液的蒸发速率。可以将溶液直接涂布至辊。辊可以多于一次将自组装溶液涂布在多孔材料上。辊可以通过一个或多个处理步骤推或拉支持体材料。夹心使得材料能够在多孔支持体材料上均匀沉积。
图8显示数个不同的物理限制方法：用两个固体表面限制(A)、自组装溶液和两个多孔材料的限制(B)和同时组装具有独特的化学性质的很多材料的原型高生产量器件和系统(C)。高生产量器件是在其中具有孔的特弗隆板和Nafion的特弗隆夹片的固体片。将表面活性剂模板化溶液加入至每个孔，之后是Nafion膜和特弗隆片，以使得Nafion由特弗隆支持。使用多步干燥方案使该材料在物理限制中自组装。在组装之后，将设备分解以重新得到新的、独立式膜材料。图8A-8C的中间图像是组装过程中的系统。图8A-8C的底部图像是材料的组装之后的分解结构。
图8示例了表面活性剂模板化溶胶-凝胶溶液的物理限制的数个不同的实例和所得到的材料。将表面活性剂模板化溶胶-凝胶溶液沉积在新氧化的硅晶片上。之后，使用具有十八烷基三氯硅烷的自组装单层的二氧化硅覆盖片将溶液夹在两个分立的表面之间。一旦完成干燥，在移除覆盖片之后薄膜保留在表面上。图8A显示夹有表面活性剂模板化溶胶-凝胶溶液的疏水和亲水表面。在将膜干燥之后，将疏水表面移除。图像是移除后的膜。
图8B显示物理限制“夹心”的另一个实施方案的示意。为了组装膜，将两个Nafion膜浸渍在二氧化硅前体溶液中，之后放置在两个不同的平特弗隆片上。将等分试样(～100μl)的5重量％BSNS溶液经由微吸液管分配在一个Nafion膜上。使用由特弗隆背衬的第二Nafion膜将BSNS溶液夹在两个膜之间。(备选地，在其他实施方案中，膜可以由任意固体表面或气体扩散层(GDL)支持在固体表面上。)将表面通过弹簧夹保持在一起。使样品在室温干燥超过一小时，之后加热至80℃超过3小时。最终，为了模拟膜电极组件的组装，将一些样品加热至超过130℃持续15分钟。在缓慢地冷却样品之后，将特弗隆表面移除以制造独立式膜。
所得到的膜对通过用两个手指摩擦膜产生的剪切力并且对通过用镊子剥离引起的任何变形力稳定。不需要防范防止膜在典型的Nafion膜的典型的实验室过程中损坏。中心图像是在组装之后不带有模板溶液中的表面活性剂的典型的样品膜。最终的材料是半透明的白色。底部的图像是在用模板溶液中的表面活性剂组装之后代表性的独立式BSNS。膜具有物理限制中组装至BSNS中的脂质独有的黄色。在相似热处理之后，在表面上蒸发的脂质不是黄色的。归因于表面活性剂模板化纳米结构和可见光的波长的可比拟的周期性，黄色可能是来自层状纳米结构的散射的结果。这些膜是稳定的，无论是否经过脱水，高达130℃热处理，以及经由两个固体表面和弹簧夹的压力处理。
图8C显示图8B的修改，示例了同时组装具有独特的化学性质的很多材料的原型高生产量器件和系统。在其中具有孔的特弗隆板和夹有一片Nafion的特弗隆固体片。将表面活性剂模板化溶液加入至每个孔，之后是Nafion膜和特弗隆片，以使得Nafion由特弗隆支持。使用多步干燥方案将材料在物理限制中自组装。在组装之后，将设备分解以重新得到新的、独立式膜材料。中心图像是组装过程中的系统。底部的图像是材料组装之后的分解结构。
本发明的以下实施方案示例表面官能化化学如何增强表面活性剂介观结构的组装，其可以通过改善的溶质阻止而观察。表面活性剂介晶相用作反向渗透膜以从水分离甲醇。图9显示表面制备技术相对膜的通量和甲醇阻止的效果。这里，通过两种度量定义性能：甲醇阻止百分比和溶液通量。甲醇阻止百分比是一减去渗透甲醇浓度与进料甲醇浓度的比例。在图9A中给出了25％体积/体积甲醇(阻止％)的阻止百分比作为用于支持独立式表面活性剂模板化薄膜的多孔表面的制备方法的函数。溶液通量是对于恒定面积在单位时间通过膜的溶液的体积，对于每个制备方法在图9B中给出。检查了三个代表性方法：化学清洁(漂洗清洁)、表面氧化(UV清洁和H2O2沸腾)、化学沉积(TEOS)，以及它们的组合。在这个实施方案中，自组装溶液含有在二氧化硅储液中的10重量％的10mol DLPC∶1mol短杆菌肽。在这个实施方案中，自组装溶液由两个0.03微米聚醚砜(PES)膜夹在中间。膜有效面积为1.13cm2。在5PSI进行分离。在用原料PES膜的对照实验中未观察到甲醇分离。因为PES膜的孔径(30nm)远大于甲醇的直径(0.41nm)，未预期甲醇阻止。甲醇的阻止(图9样品：UV清洁UV清洁网、H2O2沸腾、H2O2沸腾TEOS)显示了表面活性剂介晶相膜进行小分子反向渗透分离的能力。
此外，图10比较了纯水和水中的25％重量％/重量％甲醇在5psi-15psi通过单个独立式仿生表面活性剂介晶相膜的通量，所述独立式仿生表面活性剂介晶相膜是在使用UV清洁制备的两个PES膜之间由包含10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液组装的。在所有的压力25重量％/重量％甲醇溶液通量对比纯水通量上＞50％减少是浓差极化的结果，即在膜表面处归因于膜对水的选择性而溶质(甲醇)浓度增加的结果。此外，因为通量随压力增加，25％重量％/重量％甲醇溶液和纯溶剂(18.2MΩ水)的通量之间的相对差别增加。这是预期到的，因为浓差极化的效果是膜通量的函数；换言之，当通过膜的溶液的通量增加时更多的甲醇积累在表面。
本发明的实施方案使用自组装表面活性剂薄膜在中空纤维膜上的共形涂布。可以将超滤和微过滤膜构造为空心圆柱体。在纤维壁中为尺寸典型地在约30nm至数百微米的范围内的孔。在一个实施方案中，使用H2O2沸腾TEOS方法用二氧化硅涂布中空纤维。之后将纤维用水漂洗。然后，用表面活性剂自组装溶液填充纤维。在用表面活性剂自组装溶液填充纤维之后，将其在两端密封。允许溶剂通过膜的孔蒸发。在烘箱中在80℃加热一天之后，优选将纤维的内侧用水漂洗。将纤维的内侧通过表面活性剂自组装薄膜涂布。
根据本发明的实施方案构造的材料优选使自组装纳米结构和/或薄膜与用于限制的表面成为一体；所得到的材料之后优选具有自组装纳米结构和表面两者的一些或全部性质。在所得到的材料中可以出现的这种表面性质的实例包括控制离子和分子的输送，增加薄膜耐久性和/或薄膜的保护和/或包封。可以在组装之后将用于组装的表面移除或改性而不毁坏该材料。
虽然理论表明表面活性剂模板化纳米结构可以产生可用于分离的结构，无缺陷组装的挑战妨碍了它们如此使用。通常采用一种或多种膜物理限制表面活性剂模板化纳米结构自组装溶液，所得到的最终的材料的选择性可以是一个或多个整合的膜和纳米结构化薄膜的复合结果。在一个实施方案中，可以将具有高电导率和高选择性的仿生薄膜组装在Nafion膜上。因为膜的薄的本性，与Nafion比较，薄膜的电导率可忽略。该膜的结构使得其他离子的传导更困难。仿生薄膜是脂质双分子层和溶胶-凝胶二氧化硅的z-维度结晶。在每个脂质双分子层中是离子通道短杆菌肽。因为所得到的材料的组合电阻，由仿生膜中的针孔缺陷导致的通过膜的短路是不可能的。此外，最终的材料可以是独立式的，例如可以将其处理、移动、操作和应用，而没有对于特定的技术和/或仪器的另外需要。该方法中制造的分级结构具有以下各项中的应用：光学、分离、燃料电池、电化学、表面涂布、隔离、医疗诊断的生物传感和/或环境监控、化学和生物学战用毒剂隔离和调节器开发。
存在很多不同的构造以物理限制表面活性剂模板化溶胶-凝胶溶液，如包含模型胶体体系的自组装的那些。物理限制的一个构造是将表面活性剂自组装溶液引入到两个以上分立的表面之间。一个实例是夹在两个平表面之间的表面活性剂溶胶-凝胶溶液。物理限制的一个构造是将表面活性剂自组装溶液引入到具有两个以上侧面的体积中。一个实例是单个折叠表面，其具有三个内部侧：顶表面、底表面和折叠的表面。另一个构造是自组装溶液由具有三维拓扑结构的单个表面的物理限制，如具有不对称轴的表面、模制表面、微制造表面或蚀刻表面。在该实例中，单个三维表面的侧面限制表面活性剂模板化溶胶-凝胶溶液。
在图11中，比较了由原料和稀释的自组装溶液制备的BSNS膜。用10重量％的10molDLPC∶1mol短杆菌肽在二氧化硅储液中的典型的脂质溶液制备原料膜。采用用乙醇1∶1体积％/体积％稀释的10重量％的10mol DLPC∶1mol短杆菌肽在二氧化硅储液中的典型的脂质溶液制备稀释的膜。将两个膜组装在经由UV清洁制备的两个PES膜之间。膜有效面积为2cm2。采用更低浓度的BSNS自组装溶液和恒定面积的支持膜和恒定体积的自组装溶液，组装为BSNS膜的材料较少。与用原料自组装溶液制造的膜比较，用稀释的自组装溶液(UV清洁稀释1∶1)制造的膜如同更薄的膜一样表现：它具有比组装在两个经由UV清洁制备的PES膜之间的二氧化硅储液中10重量％的10mol DLPC∶1mol短杆菌肽(标准仿生表面活性剂纳米结构)更少的甲醇阻止(图11A)和更大的溶液通量(图11B)。
在本发明的一个实施方案中，所得到的薄膜的厚度由槽中的膜的物理限制控制。一维单元优选构造为包含沿单元的长度延伸的至少一个线性槽。膜优选坐落在槽的底部的平面。优选首先将膜用水涂布。之后，将表面活性剂自组装溶液放置在膜上。优选选择溶液的体积以使得它超过槽的高度。之后优选将过量的体积用刀片、直尺和/或辊移除。最终的膜的厚度由槽的深度和表面活性剂自组装溶液的固体含量确定。图12显示了在具有线性槽(槽)的物理限制中自组装的膜与在辊与平片的特弗隆(无槽)之间的物理限制中自组装的膜相比在渗透率上降低。将两种20重量％DLPC溶液自组装在UV清洁0.1微米PES膜上。将该溶液使用界面方法并且通过将溶液物理限制在辊与多孔膜之间自组装。在组装之前，将一个膜放置在槽的底部。槽的深度为半毫米。结果是涂布膜的自组装溶液的体积上的增加。将膜装载到末端封闭的滤筒中。在5PSI测量水渗透率。当测量水渗透率时，组装在槽中的材料具有比组装在平表面上的材料更低的渗透率。自组装在槽中的膜的限制体积上的增加产生了更厚的稳定化的表面活性剂介观结构薄膜。薄膜厚度上的增加导致降低的薄膜渗透率。
一个可能的限制方案包括组装为复杂三维几何结构的表面活性剂模板化薄膜，如在其中一个或多个表面具有不对称三维拓扑结构的物理限制中胶体的自组装(Yang等，“蛋白石片：胶体结晶图案在硅晶片内的垂直生长(Opal chips：vectorial growth ofcolloidal crystal patterns inside silicon wafers)”，Chem.Commun.2000，2507-2508)。例如，表面可以是具有三维拓扑结构的模制聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面，或备选地蚀刻的硅晶片。表面活性剂模板化纳米结构优选归因于从一个或多个三维固体表面的侧面之间的溶剂蒸发而优先地在槽中组装。该方案将表面活性剂模板化纳米结构用三维表面模板化并结合。一些实施方案包括将在用于微流体和光学应用的通道和/或纳米尺度的图案之内的组装局域化。该构造优选对薄膜给出固体表面稳定性以及对穿透输送的可及性，这用其他组装方法是不可能的。优选的结果是多尺度自组装材料，对其该表面保护并架起纳米材料，并且纳米材料增加新功能性。
另一个物理限制方案将化学图案化与物理限制组合以使得能够将表面活性剂模板化纳米结构自组装和图案化。已经对于自组装性和图案模型胶体系统证实了该方案(Brozell等，“空间图案化的胶体光子结晶通过毛细管力的控制和模板化识别的形成(Formation of Spatially Patterned Colloidal Photonic Crystals through theControl of Capillary Forces and Template Recognition)”，Langmuir，21，2005，11588-11591)。在该方案中，通过两个表面的物理限制驱动薄膜组装。一个或多个化学图案化表面上的一个或多个部分导致薄膜是不稳定的。在组装之后，在不稳定的区域中薄膜损坏。在一个实例中，可以将薄膜组装在图案化可润湿性表面与亲水表面之间。对图案表面可润湿性存在很多方法。一个实例是使用疏水自组装硅烷之后用深UV光刻选择性地移除硅烷而建立不均匀疏水表面。疏水硅烷的两个实例是十八烷基三氯硅烷(CH3(CH2)17SiCl3，OTS)(90％Aldrich)和氟烷基三氯硅烷(CF3(CF2)10C2H4SiCl3，1，1，2，2，四亚甲基氟癸基三氯硅烷，FDTS)。通过使得新氧化的表面在优选用无水十六烷(99％Sigma-Aldrich)或HPLC级的甲苯(99％Sigma-Aldrich)作为溶剂的2.5mM溶液(100ml体积)中温育而组装它们。所有硅烷化反应优选在玻璃容器中在标称干燥的环境条件(相对湿度＜20％)下进行。在60分钟温育之后，优选将样品从溶液移除，将表面用氯仿和丙酮充分地漂洗，并且在氮流下干燥。优选使用封套在石英外壳并且具有铬特性的石英光刻掩模中的臭氧生成中压Hg灯(UVP，Inc)将硅烷经由短波长UV光刻(187，254nm)的组合光刻移除。用于图案化可润湿性的其他方法包括微接触印刷。图案化表面包括显示电极的图案的那些表面。
本发明使得能够进行在用浸涂和旋涂的标准技术不能使用的很多表面上组装自组装薄膜的技术，包括但是不限于稳定化的表面活性剂介观结构薄膜和表面活性剂模板化溶胶-凝胶薄膜。很多表面可以用于物理限制，如特弗隆、塑料、丙烯酸类、Nafion、陶瓷、二氧化硅、硅、半导体、氧化物、金、玻璃、金属、聚合物、聚二-甲基硅氧烷(PDMS)、模制聚合物、膜、聚碳酸酯膜、尺寸排阻膜、离子交换膜或石墨。这些表面可以是平面的、放射状地或球形对称的(例如球轴承)、圆柱对称(例如辊)、具有二维物理和/或化学拓扑结构和/或具有三维物理和/或化学拓扑结构。表面可以是在制造中使用的辊或压机。可以将表面层叠，包括一种或多种化学和/或物理层。化学层包括但是不限于自组装层、物理吸收层和沉积层(例如Langmuir Blodgett组装层或旋涂层)。物理层包括但是不限于：微孔表面、大孔表面、具有适宜的电性质的层，以及具有适宜的光学性质的层。
可以使用多孔表面、如Nafion(任意厚度、包括但是不限于Nafion 117)、离子交换膜、碳纤维毡、碳纤维布、纤维素膜、聚酰胺膜、聚乙烯基膜、聚碳酸酯膜、其他膜、气体扩散层、气体扩散电极、金属、特弗隆、塑料、硅胶、Nafion、碳纤维布、UltrexTM(Membranes-International Ltd.)、AHA膜(Eurodia Industrie SA)、尺寸排阻膜和/或气体扩散电极。对于多孔材料，材料的物理和化学拓扑结构及其孔径典型地限定了材料的最终的结构和功能。孔尺寸可以是宏观尺度或者微观尺度或者两者。宏观尺度孔允许表面活性剂穿过材料的渗透，优选在膜内组装表面活性剂模板化纳米结构。微观尺度孔结构典型地防止或限制表面活性剂穿过该材料的渗透，优选将表面活性剂模板化纳米结构组装在膜的表面上或附近。孔径特征(大孔对微孔)优选由表面活性剂的物理化学限定，而不是孔的几何结构。表面活性剂具有一致的长度。因此，材料可以具有用于一种表面活性剂溶液的宏观尺度孔和用于不同的表面活性剂溶液的微观尺度孔。例如，水性条件下的1mg/ml浓度的脂质泡囊将自组装在具有45nm孔的胶体结晶的顶部上，在这种情况下表面是微孔性的。Triton-X，一种不同的表面活性剂，将渗入具有45nm孔的胶体结晶，在这种情况下表面是大孔性的。
本发明的特定实施方案包括包含稳定化的表面活性剂介观结构、仿生表面活性剂介观结构和溶胶-凝胶模板化介观结构的表面活性剂自组装薄膜的自动制造。本发明包括很多用于这些膜的自动或批量生产制造技术，包括喷涂、涂装、喷墨印刷、辊涂、逆转辊涂、刮板涂布、凹版印刷涂布、间隙涂布、浸渍涂布、幕涂、量杆涂布、缝涂布、气刀刮涂和刀涂布。图13示例了代表性的但非限制性的在膜和其他材料上制造自组装薄膜的自动系统的构造。用字母A-H标记的每个点可以被包含也可以不被包含在该制造系统中。点A是自组装溶液的沉积发生的地方。点B和点C分别是预和后处理步骤。在这些步骤中，可以对材料进行以下各项中的一个、一些或全部处理：温度上的改变、暴露于氧化环境(例如臭氧生成UV光、臭氧气体)、化学物的沉积(例如为促进附着)、化学漂洗或清洁、材料的添加或移除、化学蚀刻剂、压力和/或拉伸等。点D是材料进料。该材料可以是任意的，包括，但是不限于，膜、PTFE膜、PES膜、PVP膜、塑料、碳纤维布、碳纤维毡或任何其他材料。在组装之前，可以将材料在水和/或其他溶剂中洗涤、温度处理、放置在超声浴中和/或使其他分子沉积在其上。点E是最终的材料。该点处的材料可以是，但不限于，膜卷、螺旋膜滤筒或更大的处理中的中间点。点F是通过制造的材料进料。点G是在点E进料至最终的材料的分离材料。点H是在点F中经历材料的一个、一些或所有处理并且在点E中进料至材料中的分离材料。在一些情况下，来自点F或点G的材料将导致沉积在点F上并卷至点E中的自组装材料的物理限制。该器件的取向仅是示例性的，并且可以将元件相对于垂直方向以很多合适的方向重新排列用于进行所示的方法步骤。另外的传统支持体，如引导器、辊等可以用于支持、拉伸、旋转和/或扭曲进料膜和仿生表面活性剂纳米结构。
本发明的方法的某些实施方案包括表面活性剂自组装溶液沉积之后的一个或多个退火步骤。特定溶液的加入使得一些表面活性剂能够从有序相逃逸至无序相中。优选基于包含至少两种溶剂和表面活性剂的多组分混合物的相图选择溶液。第二特定溶液的随后加入和/或蒸发驱动一些表面活性剂进入有序相。第二溶液也优选由多组分相图选择，以使得将表面活性剂驱动到所需的有序相。任何退火处理之后的表面活性剂的有序相可以是独特的，并且表面活性剂可以在材料内的另一个相中。该处理可以将全部三个步骤或步骤的任意组合重复一次或多次。该处理将表面活性剂介晶相退火以移除缺陷和过量的表面活性剂和/或加入另外的表面活性剂相。该退火处理类似于为降低材料破碎的可能性而进行的金属或玻璃的退火。在图14中，比较两个膜的渗透率，其中仅有的区别是退火步骤。膜是UV清洁的0.1微米PES膜上的20重量％10∶1 DLPC与短杆菌肽。使用自制交叉流膜测试单元测量膜的渗透率。越过该单元的压降为55PSI。退火后的膜显示更高的渗透率，而没有对荧光素盐的阻止上的损失。
本发明的实施方案允许材料在两侧上的沉积以产生对称膜。当使用界面自组装方法时，得到不对称膜；换言之，仅在一侧上具有薄膜的膜。沉积自组装表面活性剂薄膜的过程可以在多孔材料的另一侧上重复。比较不对称和对称膜的示意图在图15中给出。在一个实施方案中，组装UV清洁0.1微米PES膜上的20重量％DLPC。在将膜在80℃固化一天之后，在PES膜的另一侧上重复该过程。正向渗透实验在两个10L水桶之间进行。进料的电导率小于1μS/cm。盐水的电导率为110mS/cm。盐水中的溶质为NaCl。从进料至盐水的压降为5PSI。膜面积为3平方英寸并且将它在自制交叉流测试单元中测试。如所预期的，双侧膜展现盐从盐水扩散到实验的进料中的更低的扩散速率，如图16中所示。
本发明的实施方案包括最终的材料的表面官能化化学。表面活性剂可以是阳离子的、阴离子的或两性离子的。对于反向渗透而言，这对盐提出了挑战，因为根据DLVO理论，溶液中的盐将在膜表面形成双层。对于溶液中的疏水表面刚好相反。将存在表面处降低的水的密度，导致降低的所溶解的离子的密度。表面官能化化学可以依赖于应用而赋予表面亲水性或疏水性(例如正向渗透对比反向渗透)。
在本发明的一个实施方案中，将材料的表面用(CH3CH2O)(CH3)3Si甲基化以赋予材料疏水性。结果是具有用于低表面张力液体，例如烷烃和醇从水的萃取的亚纳米多孔性的疏水膜。在图17中，将数个10μl的滴放置在UV清洁0.1微米PES膜上的20重量％DLPC上(左侧样品)和UV清洁0.1微米PES膜上的20重量％DLPC上，后者在组装和固化之后用甲基化的硅烷(尤其是，600微升的10重量％乙氧基(三甲基)硅烷表面官能化(右侧样品)。所得到的材料是比原始材料更疏水的，如在处理过的疏水膜表面上比在未处理的亲水膜表面上水滴散布更小所示。
多孔支持体上的自组装薄膜可以在用于分离的很多构造中使用。图18示例了平板膜滤筒构造的一个实施方案。在该构造中，水垂直于膜的表面流动。流过膜的水(渗透物)具有比渗余物(保留在筒中的水)更低的溶质浓度。(A)表示渗余物的流动并且(B)表示渗透物的流动。(C)和(G)是将仿生表面活性剂纳米结构保持在原处的装置或一组装置。(D)是支持和/或构成仿生表面活性剂纳米结构的任选的多孔材料。在一些实施方案中，该层包含金属架，其在需要将膜背侧冲洗和/或防止膜泄漏的应用中尤其重要。(E)表示仿生表面活性剂纳米结构并且(F)是任选的多孔材料以增加仿生表面活性剂纳米结构的机械稳定性。(H)是使得阻止的溶液能够流动或排出的任选的出口。使用不带有排出和/或阻止流的平板膜滤筒测量该实施例中对于该构造给出的所有数据。
图19和20示例了在螺旋缠绕膜滤筒中使用的本发明的实施方案。在该构造中，水流相切于膜表面。对于浓缩应用(图19)，溶液可以直接穿过其上缠绕膜的芯。渗余物(芯内的溶液)随着它向芯下方行进而富集，并且水切线地通过螺旋卷绕的膜选择性地渗入。(A)表示渗余物的流动。(B)是螺旋膜筒。(C)是从该溶液移除的水的流动并且(D)是浓缩物的流动。(E)是允许切向流的多孔空心芯。(F)表示包含一个或多个层的膜螺旋。这些层可以包含单个片或多个片。每个层可以是相同的或不同的。优选的是在仿生表面活性剂纳米结构层之间安置大孔筛以均匀地越过仿生表面活性剂纳米结构表面分布压力。(G)是移除水的流动方向。对于水净化和浓缩应用(图20)，芯优选包括塞以防止进料溶液的直接流动。(A)表示渗余物的流动。(B)是流塞。(C)是被净化的水的流动。(D)和(I)表示防止水从筒损失的固体层。(E)是阻止溶液的流动并且(F)是纯化水的流动。(G)是允许具有直接流塞的切线水流动的空心芯。空心芯优选具有大于0.03微米的孔径。(H)表示膜螺旋，其优选包含多个层。这些层可以包含单个片或多个片。每个层可以是相同的或不同的。优选的是将大孔筛安置在仿生表面活性剂纳米结构层之间以越过仿生表面活性剂纳米结构表面均匀地分布压力。水必须流过膜，并且返回至塞后的芯中，以收集在渗透物中。所阻止的水落在所述侧的外部。
基于特定应用可以优选除了所给出的那些之外的其他构造，包括具有不同的材料取向、流动方向、另外的化学沉积、一个或多个电极的插入和/或薄膜的增加的构造。例如，为了仿生表面活性剂纳米结构用于离子交换应用的或在燃料电池中的使用，典型地需要将电极插入在仿生表面活性剂纳米结构的任一侧上。
空心膜纤维可以用于过滤器水。纤维使得能够具有每单元体积更大的渗透率，因为纤维具有比螺旋缠绕元件更大的表面积。本发明的实施方案使用表面活性剂介晶相进行分离的能力，以及在多孔支持体上形成表面活性剂自组装薄膜的能力，使得表面活性剂自组装薄膜能够在中空纤维的内侧和外侧组装。为在内侧上涂布中空纤维膜，H2O2沸腾TEOS方案优选用于制备表面。微孔过滤水优选用于冲洗和预湿用于界面组装的纤维。之后将自组装溶液冲洗通过纤维的内侧并且优选允许其聚合过夜。纤维的末端可以任选地封闭以防止自组装溶液的泄漏。为涂布纤维的外侧，纤维优选经历相同的H2O2沸腾TEOS方案。之后将纤维用水冲洗，优选涂布。之后优选将纤维的外侧用自组装溶液涂布。涂布纤维的外侧的一个方法是将其拉过含有自组装溶液的圆孔板。优选允许自组装溶液聚合过夜。
根据本发明的实施方案的某些方法稳定化所得到的薄膜，使得它更好地耐受机械变形(拉伸和/或压缩)。脂质双分子层输送的数学模型和实验结果两者都证实越过脂质双分子层的溶质渗透率随着膜厚度增加而降低。例如，脂质链长度与双分子层渗透率之间的负相关性已经由实验测量。存在改变膜厚度的很多方式，包括，但是不限于，脂质分子结构(例如尾长度、脂质种类)，机械拉伸，化学溶胀，化学结合和/或脂质交错结合。对于稳定化的表面活性剂介观结构薄膜也是相同的。由常规表面压力在仿生表面活性剂纳米结构上引起的拉伸效果在图21A(压力对阻止百分比的效果)中示出。图21A是对于由包含10∶1 DLPC与短杆菌肽的5重量％脂质溶液在两个使用UV清洁制备的PES膜之间组装的单个独立式仿生表面活性剂纳米结构的数据。图21B是对于由包含10∶1 DLPC与短杆菌肽的10重量％脂质溶液在两个使用UV清洁制备的PES膜之间组装的单个独立式仿生表面活性剂纳米结构的数据。因为由通过膜的溶剂流引起的横向拉伸，通过仿生表面活性剂纳米结构的甲醇的阻止随着压力降低。通过插入机械背衬，例如在单个独立式仿生表面活性剂纳米结构(其由含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液在两个使用UV用20％重量/重量的甲醇浓度清洁制备的PES膜组装)之后放置的金属筛(～5mm孔)上的多孔筛(由DelStar，El Cajon，CA制造的～0.1mm孔)，甲醇的阻止在大约40分钟之后达到稳定状态操作，如图22A中所示。此外，溶液通过膜的通量作为时间的函数减缓，如图22B中所示，表明在渗余物内浓缩甲醇的能力。
本发明的特定实施方案提供溶质经由膜的浓缩。由膜阻止的分子、离子和粒子可以浓缩在溶质中。一个实例方法包括将膜配置在切向流设备中。本发明的特定实施方案可以用于浓缩甲醇。如图23中所示，将一定体积(5.5ml)的20％重量％/重量％甲醇溶液(25ml)泵送通过单个独立式仿生表面活性剂纳米结构，其由含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液在两个使用UV清洁制备的PES膜之间组装。膜背衬有毫米尺寸的多孔筛，所述多孔筛背衬有多孔金属架。将一英寸的金属架用Devcon 5分钟环氧树脂粘至膜的另一侧上。流速为0.074ml/分钟并且平均压力为11.4PSI。膜面积为1.13cm2。膜垂直于自制膜筒中的溶液流。将膜的侧面粘合以防止泄漏。保留液中的甲醇的浓度增加5.3％，如从进料溶液的给定初始甲醇浓度与渗透物溶液的测量甲醇浓度之间的质量平衡所预期的。
本发明的某些实施方案提供使用不同类型的多孔材料形成仿生表面活性剂纳米结构。用于增强材料稳定性的特定膜支持体的合理设计和结合对于特定溶质的分离是关键的，因为支持材料的限制包括，但是不限于，在溶质中的化学稳定性、在溶质中的机械稳定性、孔径、孔形状、成本、分离效率和系统相容性。分离溶剂如醇、酮、丙酮或苯的一个限制是支持膜的化学稳定性。例如，PES溶解在包括丙酮的很多有机溶剂中，并且在醇中是机械不稳定的。PES、HI-PTFE(亲水)和HO-PTFE(疏水)在醇中的机械稳定性不同。这里，膜的机械稳定性定义为醇的混合物中材料的膨胀。图24A显示PES的5cm×1cm片的膨胀作为醇类型和醇浓度的函数。图24B显示HI-PTFE和HO-PTFE膜的5cm×1cm片的膨胀作为PTFE膜类型、醇类型和醇浓度的函数。正规化至水，PES在纯乙醇和纯丁醇中膨胀6％。正规化至水，HI-PTFE和HO-PTFE两者在纯乙醇和纯丁醇中不膨胀。这使得HI-PTFE和HO-PTFE两者对于与小有机溶剂一起使用都是理想的。支持体的膨胀引起仿生表面活性剂纳米结构上的横向拉伸，这降低其性能。
图25比较了从水分离25ml的10重量％/重量％乙醇水溶液的本发明的两个特定实施方案。由含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液在两个使用UV清洁制备的HI-PTFE膜之间组装单个独立式仿生表面活性剂纳米结构。膜由毫米尺寸的多孔筛和多孔金属架两者背衬。如图25B中所示，该构造显示了在可比较的压力相对由含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液在两个使用UV制备方法制备的PES膜之间组装的单个独立式仿生表面活性剂纳米结构在阻止百分数上的17.5％增加(图25A)。两个实施方案都具有多孔金属片的机械背衬以稳定化膜。
在本发明的某些实施方案中，可以将乙醇浓缩。在图26中，列出了乙醇浓缩实验的结果。将一定体积(7.4m1)的20.5％重量％/重量％乙醇溶液(25ml)泵送通过单个独立式仿生表面活性剂纳米结构，其由含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液在两个使用UV清洁制备的HI-PTFE支持体膜之间组装。膜由毫米尺寸的多孔筛背衬，进一步由多孔金属架背衬。将一英寸金属架用Devcon 5分钟环氧树脂粘至膜的另一侧。膜面积为1.13cm2。流速为1.2×10-5m3/m2/秒，具有5PSI的压力。压力正规化的流速为3.48×10-10m3/m2/秒/Pa。损失为0.1ml。膜垂直于自制膜筒中的溶液流。将膜的侧面胶粘以防止泄漏。渗余物的乙醇浓度从初始乙醇浓度增加2.4％，如从渗透物的测量乙醇浓度给出的质量平衡所预期的。
在本发明的某些实施方案中，可以将含水NaCl与水分离，如图27中所示。材料为在两个UV清洁的PES膜(0.030微米孔)之间组装的在标准二氧化硅溶液中的10重量％的来自Avanti Polar Lipids(Alabaster，AL)的Soy PC(95％)。NaCl溶液的体积为233ml，具有15.4mS/cm的电导率。使用Horiba B-173电导率计测量电导率。膜通过毫米尺寸的多孔筛和多孔金属架两者背衬。膜面积为1.13cm2。压力为5psi。
在本发明的某些实施方案中，可以将MgSO4水溶液分离，如图28中所示。膜为在两个UV清洁的PES膜(0.030微米孔)之间组装的在二氧化硅储液中的30重量％的得自AvantiPolar Lipids(Alabaster，AL)的SoyPC(95％)。MgSO4溶液的体积为13.2ml，具有9.0mS/cm的初始电导率。最终的电导率为9.2mS/cm。使用Horiba B-173电导率计测量电导率。膜由毫米尺寸的多孔筛和多孔金属架两者背衬。膜面积为1.13cm2。压力为5psi。
多层膜
本发明的实施方案包括多层膜。多层膜优选是自组装材料和支持体材料的交替层状层。一个示例实施方案在图29中示出。两个固体表面(A)夹有交替的多孔材料层(B)和表面活性剂模板化溶胶-凝胶自组装溶液(C)。尤其是，HI-PTFE膜经由H2O2沸腾TEOS和在18.2MΩ水中漂洗制备。在制备HI-PTFE膜之后，在固体表面上构建膜和400微升的BSNS溶液的交替层，其中第一最终的层为H2O2沸腾TEOS HI-PTFE膜。三个层叠膜由另一个固体表面包夹，在室温干燥超过一小时，并且之后在80℃干燥超过三小时。所得到的膜胶粘至机械背衬。该限制同时驱动组装并且将所得到的膜与物理限制组件结合。
在多层膜的一个实例中，使用含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10脂质重量％溶液组装三个BSNS层独立式仿生表面活性剂纳米结构。多孔材料为四个使用UV制备方法(H2O2沸腾TEOS和在18.2MQ水中漂洗)制备的HI-PTFE膜。在制备之后，将H2O2沸腾TEOS HI-PTFE膜与BSNS溶液的交替层放置在固体表面上，最后的层为H2O2沸腾TEOS HI-PTFE膜。膜的层叠体由另一个固体表面包夹，在室温干燥超过一小时，并且之后在80℃干燥超过三小时。将所得到的膜胶粘至机械背衬。膜面积为6.16cm2。在2.5PSI进行10％重量％/重量％乙醇溶液的分离。多层膜以平均80.5％阻止乙醇，如图30中所示，并且展现接近恒定的水通量超过200分钟，如图30B中所示。
多层膜的实施方案的物理性质可以与串联层叠的多个单个膜根本且显著不同。多层材料的分离显示了超过单层膜材料和串联的三个单层膜的性能计算值的提高性能。下面是比较单层(单层)、串联的三个单层(三个单层)以及三个一组的多层(三个一组的多层)的阻止率和通量的表。对于三个单层的计算，通过将一个层的压力乘以层的数目计算压力，通过将一个层的通量除以层的数目计算通量，并且通过将一减阻止百分比增加层的数目之后用一减去所获得的值计算阻止百分比。多层膜的压力、通量和阻止率优于对于串联的膜计算的。这可以归因于单层(其中每个多孔材料在一侧上具有固体表面)与多层(其中除了两个以外其他的所有多孔材料在任一侧上都不具有固体表面)之间组装状态上的差别。
表4
在多层膜的一个实施方案中，使用含有10∶1 DLPC与短杆菌肽的10重量％脂质溶液组装四个仿生层膜。多孔材料为五个使用UV制备方法(H2O2沸腾TEOS并在18.2MΩ水中漂洗)制备的HI-PTFE膜。在制备之后，将H2O2沸腾TEOS HI-PTFE膜和BSNS溶液的交替层放置在特弗隆片上，其中最后的层为H2O2沸腾TEOS HI-PTFE膜。膜的层叠体由另一个固体表面夹持，在室温干燥超过一小时，并且之后在80℃干燥超过三小时。在干燥之后，将所得到的膜胶粘至机械背衬。样品面积为6.15cm2。5％重量％/重量％丁醇溶液的分离在25PSI和10PSI进行。通量和阻止率数据在图31中给出。具有菱形的线是指左侧的轴(通量)。具有方块的线是指右侧的轴(阻止百分比)。
电化学和相关应用
表5将Nafion膜的选择性相对于包含10摩尔％短杆菌肽输送体的独立式BSNS的计算比较。对于Nafion列出的值来自于文献。对于BSNS列出的值基于由实验测量参数化的计算。每个脂质双分子层的质子和甲醇电导率使用分别来自单个通道短杆菌肽电导率测量和大单层泡囊(“GUV”)实验的参数模拟。质子电导率被确定为是602.6S/cm2并且甲醇渗透率被确定为是每个双分子层1.2×10-5cm/秒。BSNS等效电路是100个脂质双分子层并联的等效电路，大约是一微米厚的材料。质子电导率和甲醇渗透率根据脂质双分子层的等效电路模型除以全部层的数目。像这样，这些值表示使用该BSNS构造的直接甲醇燃料电池(DMFC)的性能的估计。典型的DMFC中的膜交换需要阳极处的甲醇稀释至3M-4M并且降低燃料电池功率密度(W cm-2)大约～50％。然而，对于上面描述的BSNS，我们预测相对Nafion的甲醇渗透率上1733倍的降低和多价阳离子渗透率上5.93×10-8降低。所得到的DMFC将为大约50％更高效率并且可以在”净”甲醇上操作。
Nafion 117 预测BSNS BSNS与Nafion的比例
厚度 ～100μm ～1μm .001
电导率(S) 7.5S/cm<sup>2</sup>(Lee W等) 6.026S/cm<sup>2</sup> .803
甲醇渗透率(P) 2.08×10<sup>-4</sup>cm/秒(Lee W等) 1.2×10<sup>-7</sup>cm/秒 5.7×10<sup>-3</sup>
多价阳离子渗透率 5.93×10<sup>-8</sup>cm<sup>2</sup>/秒(Xia J等) ＞10<sup>-16</sup>cm<sup>2</sup>/秒 1.69×10<sup>-7</sup>
表5
将一些包含短杆菌肽的仿生表面活性剂纳米结构自组装在如图8中描述的两个Nafion膜之间。BSNS自组装溶液包含脂质(脂质5、脂质1、脂质2、5重量％DLPC、10重量％DMPC)，包含脂质和短杆菌肽(短杆菌肽4、10重量％10DMPC∶1短杆菌肽)，或既不包含脂质也不包含短杆菌肽(二氧化硅，二氧化硅1、二氧化硅2)。输送体材料通过穿透电导率测量表征。穿透电导率通过将膜夹在两个～1cm2钢板之间并用欧姆计测量电阻而测量。膜和钢板在测量之前储存在特定浓度的酸中至少2分钟。图32A-32C比较了对照和具有和不具有输送体的三个独立式BSNS分级膜的电导率。在图32A中，在不同的硫酸浓度比较了三种类型的膜的穿透电阻：二氧化硅(无脂质)、脂质5(无输送体)和短杆菌肽4(包含输送体)。我们测量到无输送体的BSNS膜(脂质5)相对于包含输送体的BSNS膜短杆菌肽4在电阻上的6.375倍增加。如从具有溶液中的泡囊的实验预期的，该结果显示BSNS中包含输送体短杆菌肽增加了仿生表面活性剂纳米结构的电导率。此外，在1M硫酸，对照膜(二氧化硅)的电阻与含有输送体的BSNS(短杆菌肽4)可比。因此电阻是膜限制的，而不是输送体限制的。当与表5比较时，这表明BSNS层的厚度小于1微米。
这些材料在酸性和高浓度醇中的稳定性对于燃料电池应用是重要的。膜的电导率保持超过大约一天，而不论将样品储存在纯(净)甲醇(图32B)还是1M H2SO4中(图32C)。如图32B中所示，在第1天之后，电阻显著增加，表明材料破坏。在图32C中，将两个无表面活性剂材料(二氧化硅1、二氧化硅2)和一个含有表面活性剂的材料(5重量％DLPC)储存在1M硫酸中。在三天之后，含有表面活性剂的材料的电阻没有显著改变。这表明材料保持组装，尽管在腐蚀环境中。该稳定性表明根据该实施方案的材料可以用于电解、分离和燃料电池应用。
对于直接甲醇燃料电池和分子分离，通过膜的甲醇的渗透率上的降低是重要的。该实施方案，即独立式BSNS，具有与Nafion比较的在甲醇渗透率上的4×降低。通过用Nafion 117或独立式BSNS，以相等体积的18.2MΩ微孔过滤水和高浓度水性(18-23Brix)甲醇溶液分离甲醇测量甲醇渗透率。使用Atago 4436PAL-36S数字便携式甲醇折射计，作为时间的函数测量初始纯水的甲醇浓度。渗透率系数使用以下公式将通量与浓度梯度关联
其中J是通量(cm2秒-1)，P是渗透率(cm/秒)，ΔC是浓度梯度(Brix)，V是一侧的体积，并且A是界面面积。渗透率单元的体积与面积的比例为0.3cm。将相对于时间的浓度梯度(ΔC)(如图32D中所示)以速率系数k拟合至单个指数。渗透率使用下式计算
其中P是渗透率(cm/秒)，V是一侧的体积(cm3)，A是界面面积(cm2)，并且k(秒-1)是得自拟合的速率常数。对于三个Nafion 117膜、不包含输送体的仿生纳米结构化膜和包含输送体的仿生纳米结构化膜测量甲醇渗透率。对于Nafion 117膜，三个实验的平均甲醇渗透率系数为1.2×10-4cm秒-1。这与表5中的Nafion 117甲醇渗透率值十分一致。对于本发明的样品实施方案，平均甲醇渗透率为0.3×10-5cm秒-1。尽管在BSNS中包含输送体(10重量％10DMPC∶1短杆菌肽)，渗透率系数与无输送体的BSNS(10重量％DMPC)相同。如从用溶液中的泡囊的实验所预期的，该结果显示BSNS中短杆菌肽的包含不增加仿生表面活性剂纳米结构的甲醇渗透率。因此脂质结构保留，而与输送体的包含无关。相对Nafion 117，本发明的甲醇渗透率降低为四分之一。
本发明的实施方案可以用作用于电化学的电解质、膜电极组件或电化学电池；一个构造在图33中示例。仿生表面活性剂纳米结构的高电导率和低交换使得它们适合于作为用于液体进料燃料电池和蓄电池的电解质。仿生表面活性剂纳米结构3330放置在衬垫层3320与阳极流板3310和阴极流板3340之间。流板中的任一个或两个任选地包含蜿蜒的石墨板。板可以是不同的。为建立独立式膜，含有被动输送体的BSNS，或备选地稳定化的表面活性剂介观结构，与一种或多种Nafion膜的结合优选地具有比目前的工业膜更好的选择性。这对于其中燃料或电解质的膜“交换”降低效率和能量储存能力的燃料电池和蓄电池两者具有重要应用。仿生表面活性剂纳米结构3330可以任选地包含多尺度自组装膜电极组件(MEA)，其可以任选地包括以下各项中的一个或多个：催化剂、膜、气体扩散层(GDL)和/或碳纤维纸。MEA的包夹部分是使用物理限制制造的表面活性剂模板化纳米结构。膜可以由任意固体表面或固体表面上的GDL支持。包含GDL上的催化层的完整的膜电极组件(MEA)可以以相似方法制造。备选地，如果用导电离子交换膜代替GDL，该器件可以包含用于蓄电池的电解质。
类似地，氧化还原流动蓄电池，如钒离子氧化还原蓄电池(VRB)归因于水性氧化还原离子的膜交换具有降低的效率。通过使用以上BSNS消除氧化还原流动蓄电池中的交换，使得能够获得具有类似于锂离子蓄电池的＞90％效率的电池，其不受到电解质交换的困扰。
相似的构造可以用于分离如脲移除、透析、脱盐、蒸馏、醇净化和氯碱处理。
根据本方法的实施方案制成的材料可以适合于用于：作为用于直接甲醇燃料电池的膜电极组件中的膜、作为用于燃料电池的膜电极组件、作为用于生物燃料电池的膜电极组件中的膜、作为用于电化学电池的膜电极组件中的膜、经由通道的协同用于活性器件和智能器件中、用于氯碱电池中、用于电化学中、用于化学制造中和/或用于分子的酶转化中。
虽然特别参考所述实施方案详细描述了本发明，其他实施方案也可以获得相同的结果。本发明的变更和修改将对本领域技术人员是显见的并且它意欲覆盖所有的这些修改和等价物。以上引用的所有专利和公开的全部公开内容通过引用结合在此。

Claims (48)

1.一种膜，所述膜包含结合于多孔支持体的表面的稳定化的表面活性剂介观结构。
2.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构用保持表面活性剂分子的排列的材料稳定化。
3.权利要求2所述的膜，其中所述材料是多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含与包含所述多孔材料的薄片交替的薄片。
4.权利要求2所述的膜，其中所述材料是非多孔的并且所述稳定化的表面活性剂介观结构包含六角堆积柱，所述六角堆积柱包含成圆形排列的表面活性剂分子，所述柱的每一个基本上被所述非多孔材料环绕。
5.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述稳定化的表面活性剂介观结构与所述表面之间的、用于保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络的材料。
6.权利要求5所述的膜，其中所述材料包括选自由以下各项组成的组的材料：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅。
7.权利要求1所述的膜，其中在所述稳定化的表面活性剂介观结构结合在所述表面之前，所述表面已经被氧化、熔化和再凝固。
8.权利要求7所述的膜，其中所述再凝固表面处的平均孔径小于所述多孔支持体的主体中的平均孔径。
9.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体的孔径足够小以防止所述稳定化的表面活性剂介观结构的前体溶液在稳定化的表面活性剂介观结构的形成之前完全渗入所述支持体。
10.权利要求1所述的膜，所述膜还包含设置在所述多孔支持体的所述表面相反的一侧上的另外的多孔结构，用于机械或化学稳定化所述多孔支持体。
11.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构包含输送体。
12.权利要求1所述的膜，所述膜还包含第二多孔支持体，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。
13.权利要求1所述的膜，所述膜具有小于大约1.09的曲率。
14.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构具有大约0.3埃至大约4nm的孔径。
15.权利要求1所述的膜，所述膜具有大于大约1％的孔隙率。
16.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体包含塑料和/或纤维素。
17.权利要求1所述的膜，其中所述多孔支持体机械地稳定化所述稳定化的表面活性剂介观结构。
18.权利要求1所述的膜，所述膜还包含结合于所述多孔支持体的所述表面相反一侧的第二稳定化的表面活性剂介观结构。
19.权利要求1所述的膜，所述膜与其他权利要求1所述的膜层叠，从而形成多层膜。
20.权利要求1所述的膜，其中所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面被改性。
21.权利要求1所述的膜，所述膜包含离子交换膜和/或气体扩散层，所述膜包含膜电极组件或电解质。
22.一种用于制备膜的方法，所述方法包括：
将多孔支持体的表面改性；
用第一溶剂湿润所改性的表面；
将溶液放置在所湿润的表面上，所述溶液包含至少一种表面活性剂和至少一种第二溶剂，其中所述至少一种表面活性剂在所述溶液中的分散相中；
将所述溶液限制在两个以上限制表面之间；和
将所述一种或多种表面活性剂稳定化以在所述多孔支持体的表面上形成稳定化的表面活性剂介观结构。
23.权利要求22所述的方法，其中所述第一溶剂和/或所述第二溶剂包括水。
24.权利要求22所述的方法，其中所述溶液还包含前体溶质和/或输送体。
25.权利要求22所述的方法，其中放置所述溶液和限制所述溶液基本上同时进行。
26.权利要求22所述的方法，其中限制所述溶液包括将所述溶液限制在所述多孔支持体的表面与至少一个第二表面之间。
27.权利要求26所述的方法，其中所述至少一个第二表面选自由以下各项组成的组：槽侧壁、辊和刀片边缘。
28.权利要求26所述的方法，其中改性所述表面包括选自由以下各项组成的组的操作：表面官能化；表面接枝；共价表面改性；表面吸附；表面氧化；表面消蚀；表面漂洗；在所述表面上沉积材料，所述材料选自由以下各项组成的组：硅烷、有机物、无机物、金属、金属氧化物、烷基硅烷、钙和二氧化硅；保持所述稳定化的表面活性剂介观结构中的表面活性剂与所述表面之间的氢键网络；以及氧化、熔化和再凝固所述表面。
29.权利要求22所述的方法，所述方法作为批量生产涂布处理的一部分进行。
30.权利要求22所述的方法，所述方法还包括控制所述稳定化的表面活性剂介观结构的厚度。
31.权利要求22所述的方法，其中所述溶液不包含酸、碱或亲水化合物。
32.权利要求22所述的方法，其中在将所述溶液放置在所述表面上之后不将所述至少一种表面活性剂从所述溶液移除。
33.权利要求22所述的方法，所述方法在所述多孔支持体的两侧上进行。
34.权利要求22所述的方法，所述方法还包括将所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面改性。
35.权利要求34所述的方法，其中改性所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面包括：采用表面官能化、改变所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面的疏水性和/或甲基化所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面。
36.权利要求22所述的方法，所述方法被重复以形成多层膜。
37.权利要求22所述的方法，其中所述多孔支持体包含塑料和/或纤维素。
38.权利要求22所述的方法，所述方法还包括将第二多孔支持体放置在所述稳定化的表面活性剂介观结构的表面上，从而将所述稳定化的表面活性剂介观结构夹在所述多孔支持体与所述第二多孔支持体之间。
39.一种正向渗透膜，所述正向渗透膜对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20℃具有大于大约15LM-2H-1的渗透率。
40.权利要求39所述的正向渗透膜，其中对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20℃的渗透率大于大约20LM-2H-1。
41.权利要求39所述的正向渗透膜，其中对于10重量％NaCl的抽取溶液浓度在20℃的渗透率大于大约60LM-2H-1。
42.权利要求39所述的正向渗透膜，所述正向渗透膜具有大于大约96％的NaCl阻止率。
43.权利要求39所述的正向渗透膜，所述正向渗透膜包含一种或多种表面活性剂。
44.一种用于进行分离的器件，所述器件包含活性层，所述活性层包含一种或多种表面活性剂。
45.权利要求44所述的器件，其中所述活性层包含一种或多种输送体。
46.权利要求44所述的器件，所述器件选自由以下各项组成的组：正向渗透膜或模块、反向渗透膜或模块、压力延缓渗透膜或模块、中空纤维膜、螺旋缠绕膜或模块、筒、切向流过滤器(TFF)筒、板和框架模块、管状膜和袋。
47.权利要求44所述的器件，所述器件包含在两侧涂布有所述一种或多种表面活性剂的多孔支持体。
48.权利要求44所述的器件，其中所述一种或多种表面活性剂形成在一个或多个多孔支持体上被机械稳定化的膜。
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