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中科大胡衍雷教授與合工大張亞超副教授聯合團隊 Nat. Commun.：飛秒激光制備“模式切換”耐用型Janus薄膜

2024-02-19 來源：高分子科技

Janus薄膜以其獨特的跨膜定向輸水功能廣泛應用于油水分離、水霧收集以及可穿戴貼片等領域。傳統Janus薄膜的功能源于厚度方向上的微通道與單面化學涂層修飾（對疏水、親水基底分別進行單面親水、疏水改性），水通過微通道可以從疏水面向親水面定向運輸。然而，使用過程中化學涂層易被磨損導致功能失效、非工作狀態時微通道易被空氣中污染物顆粒堵塞等問題極大地縮短了Janus薄膜使用壽命。面對日益迫切的實際應用需求，Janus薄膜的耐用性問題亟待解決。

中國科學技術大學工程科學學院胡衍雷教授與合肥工業大學張亞超副教授聯合團隊創新性地將Janus薄膜的工作模式、保護模式分開考慮，通過拉伸和釋放軟材料實現親水微孔-槽通道的裸露與隱藏保護，即工作/保護模式切換。當Janus膜遇到外界機械摩擦或沖擊時，通過主動切換到釋放保護模式，提高了Janus膜的耐用性。基于“模式切換”策略，該團隊利用飛秒激光微納制造方法，制備了耐用型Janus薄膜。研究發現，保護模式賦予了Janus膜機械耐久性，在2000次摩擦循環、空氣中暴露10天等測試下仍能保持水滴的單向透過功能（圖1）。另外，保護模式還能抵御砂紙摩擦、手指按壓、沙子沖擊、膠帶剝離等嚴苛測試，以及防止污染物顆粒堵塞通道（圖2）。作為概念驗證，將模式切換耐用型Janus薄膜應用于沙漠環境下的水霧收集。例如清晨水霧彌漫無風沙時將Janus膜拉伸至工作模式進行水霧收集，而沙塵暴來臨時切換為保護狀態以抵御沙土摩擦沖擊。以30分鐘水霧收集量為例，結果顯示嚴苛測試后收集量僅下降10%，展現了Janus膜的耐用水霧收集能力。另外，對保護模式Janus膜進行了不同溫度、不同濕度以及不同化學環境的長期儲存實驗。結果顯示經過10天儲存的Janus膜的水霧收集能力與原始薄膜基本保持一致，展現了Janus薄膜的熱穩定性、濕度穩定性以及化學穩定性（圖3）。本研究提出的模式切換策略在推動Janus薄膜功能器件在多相分離提純、微流體操控與可穿戴健康監測貼片等多種領域的實際應用具有重大潛力。2024年2月16日，該工作以“Durable Janus membrane with on-demand mode switching fabricated by femtosecond laser”為題發在《Nature Communications》上。

圖1. “模式切換”耐用型Janus膜的設計與制備

圖2. 極端條件下Janus膜的機械耐久性測試

圖3. 基于耐久型Janus膜的水霧收集應用

文章第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生崔澤航、合肥工業大學張亞超副教授。通訊作者為中國科學技術大學胡衍雷教授，合作者還包括中國科學技術大學褚家如教授、吳東教授、李家文副教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、中國科學院青年創新促進會、科技部國家重點研發計劃等基金等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45926-4

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（責任編輯：xu）

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