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各向(xiàng)異性界面(miàn)往往賦予材料新奇的物理化學(xué)性質，自然界中許多生物表面(miàn)具有算風各向(xiàng)異性界面(miàn)性質可以實現液體智能(n車師éng)運輸。如豬籠草表面(miàn)具有由微納米尺度的楔形盲孔組成(理睡chéng)的各向(xiàng)異性微槽結構，可以實現水滴自發(f雨雪ā)的向(xiàng)上運輸，以維持其口緣處的表面(miàn)潤滑；蝴蝶懂務翅膀表面(miàn)蓑衣狀的各向(xiàng嗎廠)異性結構，使得水滴可以沿翅膀表面(miàn)向(xiàng)外滾動什請而不能(néng)向(xiàng)内流動，從而保持身體幹爽；還(hái)有許遠現多其它生物如瓶子草、仙人掌針刺和蜘蛛絲等也具有類似紙藍的各向(xiàng)異性結構，這(zhè)些生物表面(miàn)都們件(dōu)具有液體定向(xiàng)運輸的能(néng)力。受這(zhè不哥)些有趣的生物表面(miàn)啟發(fā費地)，科學(xué)家在制備各向(xi錢雜àng)異性浸潤性梯度材料，實現液體單向(xiàng)傳輸方面(mià現睡n)取得了很多進(jìn)展。

除二維平面(miàn)上的液體定向(xi章女àng)傳輸之外，三維多孔膜材料在液體單向(xiàn坐用g)輸運方面(miàn)同樣(yàng)具有重要意義。但月員目前該領域仍然存在挑戰，如大多數材料在不透過(guò)方向行聽(xiàng)所能(néng)下樂承受的液壓很小，這(zhè)在很大程度上到關限制了單向(xiàng)透液材料的知街應用。同時(shí)，以往工作對(duì)單向(xiàng)透液的解釋主要醫生歸因于異質膜界面(miàn)上的浸潤性差異，而對(duì)液紙事體單向(xiàng)透過(guò)的微友弟觀結構機制則常常被(bèi)忽略。近日，北京航空航天大學(xué)趙勇教授課題組通過(guò)設計具有微觀互穿結構的Janus親/疏異質複合膜，實現了優也筆異的液體單方向(xiàng)透過(guò)性能(néng)老空；從理論和實驗上證明了液體在Janus膜材料上的單向(xiàng)透過(guò離海)性能(néng)不僅與膜兩(liǎng)側的浸看廠潤性差異有關，而且與材料在親/疏界面(miàn)的微觀互穿結構有關。匠媽北航化學(xué)學(xué)院博士研謝紙究生侯蘭蘭為該論文第一作者，王女副教授為共同第一作者，趙勇教授為通訊作者，北航物理學(xué)院滿興坤教授在理論計算方面(miàn)給予了大力支持，相關工作發(fā)表在ACS Nano 。

圖1. 納米纖維（疏液）/納米針（親液）就自異質互穿結構Janus複合膜。

如圖1所示，作者制備了由疏液納米纖維與超親液氧化物納書票米針Janus複合膜，納米針與纖維膜在界面他信(miàn)處可以形成(chéng)互穿結構。從疏液站雜纖維膜向(xiàng)親液納米針方向光海(xiàng)液體可以順利透過(guò)，而從親液向(xiàn文會g)疏液方向(xiàng)則可以在相當大的靜液壓力下仍能(n村計éng)阻止液體透過(guò)，呈現出一種(zhǒng)液體“二極管”效應資多。圖2以水為例顯示了Janus複合膜從疏液向(xiàng)親液方向(xiàng鄉得)可透過(guò)，而在相反方向(xiàng)被(bèi)攔截的現就懂象。

圖2.水滴在Janus複合膜從疏液向(xiàng)親液方向美和(xiàng)透過(guò)。

透過(guò)液滴

膜反轉，阻隔液體

作者對(duì)液體在Janus複合膜上的單雨從透行為進(jìn)行了理論解釋。通過(guò)對(duì)液體在親液表面電街(miàn)和疏液表面(miàn)浸潤狀就訊态進(jìn)行分析，液滴在多孔的疏液數小表面(miàn)會(huì)受到與重力方向(xiàng)相反的拉照還普拉斯力（圖3a），而在親液表面嗎湖(miàn)則受到毛細力（圖3b）。圖3c-d和圖3e-f分别為液體在不具備互視藍穿結構的單透膜和本工作中具有互穿結構的單透膜上的受力分析。通過(gu務少ò)對(duì)比發(fā)現，Janus複合膜互穿結構的綠看存在顯著減小了疏液層向(xiàng)親液層方向(xi腦看àng)的拉普拉斯力，使液體易要的于透過(guò)；而在親液層向(xiàng)疏液層方向(xiàng)的拉普身門拉斯力基本不受影響，仍可維持較高的靜液壓，從而顯著提高了液體的單向(xiàng分紙)透過(guò)性能(néng)。

圖3. 液體在(a)疏液表面(miàn)和(b)親液表面(m習人iàn)浸潤性行為；液滴在(c輛慢,d)不具備互穿結構和(e, f)具備互穿結構的Janus親/疏異質複合膜透哥都過(guò)行為分析。

該工作不但實現了高液壓比液體單向(xiàng)透過(guò)，而且适用于從極性子科到非極性的不同表面(miàn)張力液體體系。這(z喝媽hè)種(zhǒng)Jauns複合膜的單向(xiàng)透過(guò)嗎她性質可以實現液體的可控方向(xiàng)性透過制黑(guò)（圖4a-c），利用Jan嗎厭us複合膜液體“二極管”特性和極性液體說哥的導電性，還(hái)可設計水單向(xiàng)透過(guò)觸務長發(fā)的“1”和“0”電信号接收裝置。

圖4. 液滴在Janus複合膜上的單向(xiàng)透過(gu看湖ò)應用。

在此基礎上，通過(guò)對(duì)疏液纖維膜小兒層厚度進(jìn)行調控，證明纖看兒維膜的厚度同樣(yàng)對(duì)液體的單向(xiàng唱劇)透過(guò)性能(néng慢女)存在影響。當疏液層纖維膜厚度減少到一對街定的程度，作者小組發(fā)現這(zhè)種(zhǒ明很ng)具有不對(duì)稱微結構的各向(xià到在ng)異浸潤性複合膜，可以實現高效的霧氣收集(J. Mater. Chem. A 2019, 7, 124）。碩士研究生胡榮俊為該工作的第一作者（北京科技大學(x友可ué)新金屬材料國(guó)家重點實驗室與北京航空航微視天大學(xué)化學(xué)學(xué)院聯培），王女副教授為共同第一作者，趙勇教授為通訊作者，該工作得到北京科技大學(xué)張海龍教授的大力支化微持。

圖5. 霧滴在親/疏異質複合膜表面(mi友小àn)的捕獲--長(cháng)大--合并--傳輸和收集過(guò)程的光要金學(xué)及環境掃描電鏡（ESEM）圖。

圖5顯示了在霧氣環境下，霧滴在該複合結構膜疏水纖維膜一側的捕讀離獲--長(cháng)大--合并--傳輸--收集以及水膜的形下車成(chéng)過(guò)程。

圖6. (a, b) 模拟溫室用于霧氣收集和植物（薄荷）灌溉的示意圖和體男實物圖。(c) 不同環境下的對(duì)照試拍兒驗：(c1-c3) 無水灌溉的對(duì)照組；c4)花自親/疏異質複合集霧膜；(c5) 正常灌溉組。可以看出時姐對(duì)照組植物幹枯，而集霧膜植物和正常灌溉植物一樣好風(yàng)長(cháng)勢良好(hǎo)

這(zhè)種(zhǒng)複合結構膜通過(guò)模拟收集清晨空氣中的霧氣，喝我具有對(duì)植物進(jìn音歌)行霧氣收集灌溉的潛在應用（圖6）。在進(jìn)行了五個對(duì)照不黑實驗後(hòu)發(fā)現，當複合結構的疏水纖維一側朝向(xià是們ng)溫室外側時(shí)，該溫室的植物以中店及正常培育的植物五天後(hòu)日話依然長(cháng)勢良好(hǎo)，表明該複合結構膜具有良好(hǎo)的站機集霧性質，可以收集空氣中的霧氣用于農業灌溉。同為器時(shí)，複合膜的另一個優勢在于材料男雨的表面(miàn)微孔結構賦予了溫室良好(hǎo)的透氣性，這(z路拿hè)對(duì)于保持适宜的氣體銀飛濃度等培養環境非常重要。

總之，通過(guò)構築親疏異質互穿界面(miàn)結構的店報Janus複合膜，實現了液體的高液壓比單向(xiàng)透過(guò)。這雪中(zhè)種(zhǒng)具有“二極管”特性的單向美冷(xiàng)透液膜在防水透汗織物、婦嬰用品的快吸防回滲、防水透氣腦筆醫用輔料、智能(néng)多相反應器、高效集霧節水灌報可溉等方面(miàn)都(dōu)有較好(hǎ我多o)的應用前景。這(zhè)種(zhǒng)複合結構膜通過(guò)模拟很筆收集清晨空氣中的霧氣，具有對(duì)植物進(jìn)行霧氣收腦分集灌溉的潛在應用（圖6）。在進(jìn)行了五個對(duì)照實驗後(就火hòu)發(fā)現，當複合結構的疏人務水纖維一側朝向(xiàng)溫室外側時(shí)，該溫室的植習黃物以及正常培育的植物五天後(hò拍做u)依然長(cháng)勢良好(南媽hǎo)，表明該複合結構膜具有良好(hǎo)的集霧性質，可以收集空氣中的姐煙霧氣用于農業灌溉。同時(shí)，複合膜的另一個優勢在于材料的表面(嗎廠miàn)微孔結構賦予了溫室良好(hǎo)制影的透氣性，這(zhè)對(duì)物我于保持适宜的氣體濃度等培養環境非常重要。

 

總之，通過(guò)構築親疏異質互現城穿界面(miàn)結構的Janus複合膜，實現了行有液體的高液壓比單向(xiàng)透過(guò)。這(zh書外è)種(zhǒng)具有“二極管”特書友性的單向(xiàng)透液膜在防水透汗織物玩什、婦嬰用品的快吸防回滲、防水透氣醫用輔料、智能(néng空問)多相反應器、高效集霧節水灌溉等方面(miàn)都(dōu)有較好跳子(hǎo)的應用前景。

論文鍊接

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/1唱動0.1021/acsnano.8b08753

https://pubs.rsc.org/en/conte裡制nt/articlehtml/2018爸樹/ta/c8ta10615k

來源：高分子科學(xué)前沿

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