各向異性界面往往賦予材料新奇的物理化學性質，自然界中許多生物表面具有各向異性界面性質可以實現液體智能運輸。如豬籠草表面具有由微納米尺度的楔形盲孔組成的各向異性微槽結構，可以實現水滴自發(fā)的向上運輸，以維持其口緣處的表面潤滑；蝴蝶翅膀表面蓑衣狀的各向異性結構，使得水滴可以沿翅膀表面向外滾動而不能向內流動，從而保持身體干爽；還有許多其它生物如瓶子草、仙人掌針刺和蜘蛛絲等也具有類似的各向異性結構，這些生物表面都具有液體定向運輸的能力。受這些有趣的生物表面啟發(fā)，科學家在制備各向異性浸潤性梯度材料，實現液體單向傳輸方面取得了很多進展。

除二維平面上的液體定向傳輸之外，三維多孔膜材料在液體單向輸運方面同樣具有重要意義。但目前該領域仍然存在挑戰(zhàn)，如大多數材料在不透過方向所能承受的液壓很小，這在很大程度上限制了單向透液材料的應用。同時，以往工作對單向透液的解釋主要歸因于異質膜界面上的浸潤性差異，而對液體單向透過的微觀結構機制則常常被忽略。近日，北京航空航天大學趙勇教授課題組通過設計具有微觀互穿結構的Janus親/疏異質復合膜，實現了優(yōu)異的液體單方向透過性能；從理論和實驗上證明了液體在Janus膜材料上的單向透過性能不僅與膜兩側的浸潤性差異有關，而且與材料在親/疏界面的微觀互穿結構有關。北航化學學院博士研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，北航物理學院滿興坤教授在理論計算方面給予了大力支持，相關工作發(fā)表在ACS Nano 。

圖1. 納米纖維（疏液）/納米針（親液）異質互穿結構Janus復合膜。

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米針Janus復合膜，納米針與纖維膜在界面處可以形成互穿結構。從疏液纖維膜向親液納米針方向液體可以順利透過，而從親液向疏液方向則可以在相當大的靜液壓力下仍能阻止液體透過，呈現出一種液體“二極管”效應。圖2以水為例顯示了Janus復合膜從疏液向親液方向可透過，而在相反方向被攔截的現象。

圖2.水滴在Janus復合膜從疏液向親液方向透過。

透過液滴

膜反轉，阻隔液體

作者對液體在Janus復合膜上的單透行為進行了理論解釋。通過對液體在親液表面和疏液表面浸潤狀態(tài)進行分析，液滴在多孔的疏液表面會受到與重力方向相反的拉普拉斯力（圖3a），而在親液表面則受到毛細力（圖3b）。圖3c-d和圖3e-f分別為液體在不具備互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。通過對比發(fā)現，Janus復合膜互穿結構的存在顯著減小了疏液層向親液層方向的拉普拉斯力，使液體易于透過；而在親液層向疏液層方向的拉普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透過性能。

圖3. 液體在(a)疏液表面和(b)親液表面浸潤性行為；液滴在(c,d)不具備互穿結構和(e, f)具備互穿結構的Janus親/疏異質復合膜透過行為分析。

該工作不但實現了高液壓比液體單向透過，而且適用于從極性到非極性的不同表面張力液體體系。這種Jauns復合膜的單向透過性質可以實現液體的可控方向性透過（圖4a-c），利用Janus復合膜液體“二極管”特性和極性液體的導電性，還可設計水單向透過觸發(fā)的“1”和“0”電信號接收裝置。

圖4. 液滴在Janus復合膜上的單向透過應用。

在此基礎上，通過對疏液纖維膜層厚度進行調控，證明纖維膜的厚度同樣對液體的單向透過性能存在影響。當疏液層纖維膜厚度減少到一定的程度，作者小組發(fā)現這種具有不對稱微結構的各向異浸潤性復合膜，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（北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室與北京航空航天大學化學學院聯培），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張海龍教授的大力支持。

圖5. 霧滴在親/疏異質復合膜表面的捕獲--長大--合并--傳輸和收集過程的光學及環(huán)境掃描電鏡（ESEM）圖。

圖5顯示了在霧氣環(huán)境下，霧滴在該復合結構膜疏水纖維膜一側的捕獲--長大--合并--傳輸--收集以及水膜的形成過程。

圖6. (a, b) 模擬溫室用于霧氣收集和植物（薄荷）灌溉的示意圖和實物圖。(c) 不同環(huán)境下的對照試驗：(c1-c3) 無水灌溉的對照組；c4)親/疏異質復合集霧膜；(c5) 正常灌溉組?？梢钥闯鰧φ战M植物干枯，而集霧膜植物和正常灌溉植物一樣長勢良好

這種復合結構膜通過模擬收集清晨空氣中的霧氣，具有對植物進行霧氣收集灌溉的潛在應用（圖6）。在進行了五個對照實驗后發(fā)現，當復合結構的疏水纖維一側朝向溫室外側時，該溫室的植物以及正常培育的植物五天后依然長勢良好，表明該復合結構膜具有良好的集霧性質，可以收集空氣中的霧氣用于農業(yè)灌溉。同時，復合膜的另一個優(yōu)勢在于材料的表面微孔結構賦予了溫室良好的透氣性，這對于保持適宜的氣體濃度等培養(yǎng)環(huán)境非常重要。

總之，通過構筑親疏異質互穿界面結構的Janus復合膜，實現了液體的高液壓比單向透過。這種具有“二極管”特性的單向透液膜在防水透汗織物、婦嬰用品的快吸防回滲、防水透氣醫(yī)用輔料、智能多相反應器、高效集霧節(jié)水灌溉等方面都有較好的應用前景。這種復合結構膜通過模擬收集清晨空氣中的霧氣，具有對植物進行霧氣收集灌溉的潛在應用（圖6）。在進行了五個對照實驗后發(fā)現，當復合結構的疏水纖維一側朝向溫室外側時，該溫室的植物以及正常培育的植物五天后依然長勢良好，表明該復合結構膜具有良好的集霧性質，可以收集空氣中的霧氣用于農業(yè)灌溉。同時，復合膜的另一個優(yōu)勢在于材料的表面微孔結構賦予了溫室良好的透氣性，這對于保持適宜的氣體濃度等培養(yǎng)環(huán)境非常重要。

 

總之，通過構筑親疏異質互穿界面結構的Janus復合膜，實現了液體的高液壓比單向透過。這種具有“二極管”特性的單向透液膜在防水透汗織物、婦嬰用品的快吸防回滲、防水透氣醫(yī)用輔料、智能多相反應器、高效集霧節(jié)水灌溉等方面都有較好的應用前景。

論文鏈接

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b08753

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta10615k

來源：高分子科學前沿

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