通过化学响应性聚合物膜的反馈控制溶质传输

聚合物膜通常被假定为在传输过程中对渗透粒子的通量与密度呈惰性且无响应。本文中，我们基于通过板状膜传输的非线性反馈溶液-扩散模型，从理论上研究了膜响应性与反馈对稳态力-通量关系及膜渗透率的影响。其中，膜内溶质浓度依赖于主体浓度$c_0$、驱动力$f$以及聚合物体积分数$\phi$。在我们的模型中，膜内溶质积累引起聚合物的S形体积相变，改变其渗透率，进而反过来影响膜的溶质摄取。该反馈导致非线性力-通量关系$j(f)$，我们依据系统的微分渗透率$\mathcal{P}_\text{sys}^{\Delta}\propto {\mathrm{d}j}/{\mathrm{d}f}$对其进行了量化。我们发现，膜的反馈可使溶质通量增减数个数量级，由驱动力的微小变化触发，并可通过吸引性与排斥性溶质-膜相互作用大幅调节。此外，控制输入$c_0$与$f$可导致$\phi$的稳态双稳态及力-通量关系中的滞回。本工作表明，精细调节膜的化学响应性将增强非线性传输控制特性，为未来的（自）调节膜器件提供巨大潜力。