Ionic Strength-Dependent Assembly of Polyelectrolyte-Nanoparticle Membranes via Interfacial Complexation at a Water–Water Interface

聚电解质 离子强度 化学工程 渗透 反离子 离子键合 纳米颗粒 化学 水溶液 材料科学 纳米技术 有机化学 聚合物 离子 工程类 生物化学
作者
Wilfredo Mendez-Ortiz,Kathleen J. Stebe,Daeyeon Lee
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 21087-21097 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c08916
摘要

Complexation between oppositely charged nanoparticles (NPs) and polyelectrolytes (PEs) is a scalable approach to assemble functional, stimuli-responsive membranes. Complexation at interfaces of aqueous two-phase systems (ATPSs) has emerged as a powerful method to assemble these functional structures. Membranes formed at these interfaces can grow continuously to thicknesses approaching several millimeters and display a high degree of tunability via modification of solution properties such as ionic strength. To identify the membrane assembly mechanism, we study interfacial assembly in a prototypical dextran/PEG ATPS, in which silica (SiO2) NPs suspended in the PEG phase undergo interfacial complexation with poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) supplied in the dextran phase. Using a microfluidic device that facilitates sequential insertion of fluorescent and nonfluorescent PDADMAC, we observe a transition in the membrane growth mechanism with ionic strength. In the absence of added salt ([NaCl] = 0 mM) PDADMAC chains permeate through the existing membrane to complex with NPs on the PEG side of the membrane, leading to the formation of well-stratified structures. At elevated ionic strength ([NaCl] = 500 mM), this permeation mechanism is lost. Rather, the complexing species incorporate uniformly across the membrane. We attribute this transition to a rapid exchange of PE-counterion, NP-counterion, and PE/NP binding sites facilitated by an increase in extrinsically compensated charged groups on the NPs and PEs at high salinity. These PDADMAC/SiO2 NP membranes have tremendous potential for the formation of functional membranes, offering control over the internal structure and serving as an ideal system for the generation of targeted release systems.
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