??　　各向異性界面往往賦予材料新奇的物理化學(xué)性質(zhì)，自然界中許多生物表面具有各向異性界面性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)液體智能運(yùn)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(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)水滴自發(fā)的向上運(yùn)輸，以維持其口緣處的表面潤(rùn)滑；蝴蝶翅膀表面蓑衣狀的各向異性結(jié)構(gòu)，使得水滴可以沿翅膀表面向外滾動(dòng)而不能向內(nèi)流動(dòng)，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(jié)構(gòu)，這些生物表面都具有液體定向運(yùn)輸?shù)哪芰ΑＪ苓@些有趣的生物表面啟發(fā)，科學(xué)家在制備各向異性浸潤(rùn)性梯度材料，實(shí)現(xiàn)液體單向傳輸方面取得了很多進(jìn)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(yùn)方面同樣具有重要意義。但目前該領(lǐng)域仍然存在挑戰(zhàn)，如大多數(shù)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(yīng)用。同時(shí)，以往工作對(duì)單向透液的解釋主要?dú)w因于異質(zhì)膜界面上的浸潤(rùn)性差異，而對(duì)液體單向透過的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制則常常被忽略。近日，北京航空航天大學(xué)趙勇教授課題組通過設(shè)計(jì)具有微觀互穿結(jié)構(gòu)的Janus親/疏異質(zhì)復(fù)合膜，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的液體單方向透過性能；從理論和實(shí)驗(yàn)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(cè)的浸潤(rùn)性差異有關(guān)，而且與材料在親/疏界面的微觀互穿結(jié)構(gòu)有關(guān)。北航化學(xué)學(xué)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(xué)院滿興坤教授在理論計(jì)算方面給予了大力支持，相關(guān)工作發(fā)表在ACS Nano 。

圖1. 納米纖維（疏液）/納米針（親液）異質(zhì)互穿結(jié)構(gòu)Janus復(fù)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(fù)合膜，納米針與纖維膜在界面處可以形成互穿結(jié)構(gòu)。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(dāng)大的靜液壓力下仍能阻止液體透過，呈現(xiàn)出一種液體“二極管”效應(yīng)。圖2以水為例顯示了Janus復(fù)合膜從疏液向親液方向可透過，而在相反方向被攔截的現(xiàn)象。

圖2.水滴在Janus復(fù)合膜從疏液向親液方向透過。

透過液滴

膜反轉(zhuǎn)，阻隔液體

　　作者對(duì)液體在Janus復(fù)合膜上的單透行為進(jìn)行了理論解釋。通過對(duì)液體在親液表面和疏液表面浸潤(rùn)狀態(tài)進(jìn)行分析，液滴在多孔的疏液表面會(huì)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(xì)力（圖3b）。圖3c-d和圖3e-f分別為液體在不具備互穿結(jié)構(gòu)的單透膜和本工作中具有互穿結(jié)構(gòu)的單透膜上的受力分析。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Janus復(fù)合膜互穿結(jié)構(gòu)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(rùn)性行為；液滴在(c,d)不具備互穿結(jié)構(gòu)和(e, f)具備互穿結(jié)構(gòu)的Janus親/疏異質(zhì)復(fù)合膜透過行為分析。

　　該工作不但實(shí)現(xiàn)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(fù)合膜的單向透過性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)液體的可控方向性透過（圖4a-c），利用Janus復(fù)合膜液體“二極管”特性和極性液體的導(dǎo)電性，還可設(shè)計(jì)水單向透過觸發(fā)的“1”和“0”電信號(hào)接收裝置。

圖4. 液滴在Janus復(fù)合膜上的單向透過應(yīng)用。

　　在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)疏液纖維膜層厚度進(jìn)行調(diào)控，證明纖維膜的厚度同樣對(duì)液體的單向透過性能存在影響。當(dāng)疏液層纖維膜厚度減少到一定的程度，作者小組發(fā)現(xiàn)這種具有不對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的各向異浸潤(rùn)性復(fù)合膜，可以實(shí)現(xiàn)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(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院聯(lián)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持。

圖5. 霧滴在親/疏異質(zhì)復(fù)合膜表面的捕獲--長(zhǎng)大--合并--傳輸和收集過程的光學(xué)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(fù)合結(jié)構(gòu)膜疏水纖維膜一側(cè)的捕獲--長(zhǎng)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(shí)物圖。(c) 不同環(huán)境下的對(duì)照試驗(yàn)：(c1-c3) 無水灌溉的對(duì)照組；c4)親/疏異質(zhì)復(fù)合集霧膜；(c5) 正常灌溉組?？梢钥闯鰧?duì)照組植物干枯，而集霧膜植物和正常灌溉植物一樣長(zhǎng)勢(shì)良好。

　　這種復(fù)合結(jié)構(gòu)膜通過模擬收集清晨空氣中的霧氣，具有對(duì)植物進(jìn)行霧氣收集灌溉的潛在應(yīng)用（圖6）。在進(jìn)行了五個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的疏水纖維一側(cè)朝向溫室外側(cè)時(shí)，該溫室的植物以及正常培育的植物五天后依然長(zhǎng)勢(shì)良好，表明該復(fù)合結(jié)構(gòu)膜具有良好的集霧性質(zhì)，可以收集空氣中的霧氣用于農(nóng)業(yè)灌溉。同時(shí)，復(fù)合膜的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于材料的表面微孔結(jié)構(gòu)賦予了溫室良好的透氣性，這對(duì)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(gòu)筑親疏異質(zhì)互穿界面結(jié)構(gòu)的Janus復(fù)合膜，實(shí)現(xiàn)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(yīng)器、高效集霧節(jié)水灌溉等方面都有較好的應(yīng)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