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  仿生超浸潤性材料在自清潔、防霧和防結冰等領域發揮著不可忽視的作用，人們為了構建高效的超浸潤表面已經開發了多種方法，包括等離子處理法、逐層法和氣相沉積法等等。近些年來由于其在油水分離、霧氣集水和液滴輸運等方面有著廣泛的應用前景，研究人員更加關注Janus浸潤性薄膜的構建。盡管取得了許多進展，但目前現有的Janus浸潤性表面大多缺乏對環境刺激反應的可視化。在實際應用中，只報告單一刺激信號的薄膜會使其很難定位外部刺激信號的時間和強度。因此，能夠實時、肉眼可見并且能夠定性定量反應外界刺激響應性信號的Janus浸潤性薄膜仍然是人們非常期待的。

圖：結合刺激響應結構色薄膜與蠟燭煙塵涂層的優點，提出了受多生物啟發的可浸潤性機器裝置的設計方案。

  最近，南京師范大學未來光電功能材料研究中心劉慈慧、狄云松、甘志星團隊在《Advanced Functional Materials》上發表了題為“Bioinspired Tunable Structural Color Film with Janus Wettability and Interfacial Floatability towards Visible Water Quality Monitoring”的文章，他們從荷葉的自清潔特性和界面的穩定性以及斗魚的變色機理出發，提出了一種新穎的由蠟燭煙灰和彈性（PU/P(NiPAAm-bis-AA)）聚合物制備的結構色薄膜，用于可視化水質監測。他們將制備的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上層引入蠟燭煙灰，由于PU/P(NiPAAm-bis-AA)層具有反蛋白石結構，使其具有明亮的結構色彩和超親水性。此外反蛋白石支架上層附著的煙灰涂層，不僅增強了結構色彩，而且形成了超疏水表面。上下表面相異的超浸潤性能使其具有優秀的氣液界面穩定性，能夠穩定的漂浮在水面。在復雜液體環境中獨特的穩定性和結構顏色傳感能力賦予該薄膜在面對外部的刺激時，不僅可以通過馬蘭戈尼效應誘導的定向遷移來應激響應環境變量的變化，而且還可以通過薄膜結構色變化來定量反饋外界的刺激信號。這些特征展示了該Janus浸潤性薄膜作為未來公開水域智能水質監測機器人的潛力。

1. Janus浸潤性薄膜的構筑及性能

  首先通過垂直沉積方法從二氧化硅納米粒子的自組裝中得到膠體晶體模板。然后通過復制模板，制備了PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石結構的薄膜，為了制備具有Janus浸潤性的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石薄膜，在制備的反蛋白石支架的上層附著蠟燭煙灰，使其上層具有超疏水性。由于下層具有有序的反蛋白石納米結構，薄膜下層具有鮮艷的結構色，這是由光子帶隙（PBG）特性決定的，在光子帶隙中，同一頻率的光被禁止傳播和選擇性反射。反蛋白石層表現出不同的結構色，是由于周圍環境的變化導致折射率的變化導致的，使得Janus浸潤性薄膜具有可視化信號響應性。

圖1  Janus浸潤性薄膜的構筑過程與結構。a）制造過程的示意圖。b）所制備的光子晶體蛋白石結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c）制備的光子晶體反蛋白石結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。d)光子晶體蛋白石結構和反蛋白石結構相應的反射光譜和光學圖像。e)具有可調結構顏色的仿生Janus潤濕性薄膜的反射光譜。

  利用上下表面相異的超浸潤性能，Janus浸潤性薄膜還具有優異的界面穩定性和抗旋轉性能力，在實際應用中能夠穩定的漂浮在界面上。在實驗中即使薄膜被翻轉過來，在水的運動下也能恢復和保持初始狀態。

圖2  Janus浸潤性薄膜上下表面相異超浸潤性和抗旋轉能力。a)浮在水面上的薄膜的示意圖。b)證明了漂浮在水面上的仿生Janus薄膜的超浸潤性。c)仿生Janus浸潤性薄膜在水的運動下保持其原始的形狀，顯示出良好的抗旋轉能力。d)被翻轉的仿生Janus浸潤性薄膜，在水的運動下恢復了原來的狀態。 

  在界面平衡試驗中，探討了三種樣品與空氣-水界面的相互作用，包括全面超疏水(ASHB)薄膜、全面超親水(ASHL)薄膜和超疏水/超親水(SHB/SHL)協同Janus浸潤性薄膜。實驗結果表明了Janus浸潤性薄膜在相互作用力的協同效應下顯示了獨特的穩定性。

圖3  展示了樣品薄膜與空水界面之間的靜止狀態和光學圖像。a）ASHB薄膜在按壓界面時可產生空氣陷阱，但當膜從水面上抽出時，液體橋并不明顯。b） 相比之下，ASHL薄膜并沒有產生一個空氣陷阱，而是顯示了一個液體橋。c） 對于仿生Janus浸潤性薄膜，可以同時觀察到了空氣陷阱和液體橋。

  此外在復雜液體環境中，對Janus浸潤性薄膜的穩定性進行了進一步探究。下圖表明了Janus浸潤性薄膜（上表面為超疏水層，下表面為超親水層）在與不同極性的油水界面接觸時，能夠保持平坦和緊密地停留在界面上。體現了Janus浸潤性薄膜在復雜的液體界面上良好的穩定性，為實際應用鋪平了道路。

圖4 通過運動捕捉所提出的樣品薄膜與雙液相系統之間的界面可浮性的方案和光學圖像。雙液相系統由正己烷/水、辛烷/水和庚烷/水組成。a)ASHB薄膜在三種雙液相系統上扭曲。b)ASHL薄膜呈現倒碗狀態。c)仿生Janus浸潤性薄膜具有良好的穩定性。

2. 實際應用

  考慮到其上下表面相異的超浸潤性能使其具有優秀的氣液界面穩定性以及在復雜液體環境中獨特的穩定性和結構色傳感能力，仿生Janus浸潤性薄膜有望在水質監測領域得到應用。為了證明這一點，本實驗旨在模擬污染河流中的水質監測，探索仿生Janus浸潤性薄膜的刺激響應能力。在模擬實驗中，丙酮溶液用蠕動注射泵從T型端注入通道中，隨著丙酮溶液的濃度變化時，Janus浸潤性薄膜發生了由馬蘭戈尼效應誘導的定向位移變化以及薄膜的結構色由綠色過度到紅色，即使在不同類型不同表面張力的液體刺激下也能顯示出良好的穩定性，表現出優異的結構色傳感能力。同時，實時記錄了定向位移的變化量和結構色變化，隨著濃度的變化，Janus薄膜的位移變化量和結構色有相對應的變化。此外在實驗中還體現了薄膜良好的機械強度和化學耐久性，以上表明該薄膜在未來水質監測方面具有潛在的應用前景。

圖5  Janus機器人薄膜的應用示意圖。a)在T型水道中，圖案化的仿生Janus浸潤性薄膜在外部刺激下的運動。b)反射波長隨丙酮濃度變化的光學圖像和關系。c)圖案化的仿生Janus浸潤性薄膜在不同類型不同表面張力的液體刺激下的位移距離。

  綜上所述，受天然生物的啟發，作者在PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上層引入煙灰涂層，研制出一種新型Janus浸潤性結構色薄膜。薄膜在復雜液體環境中具有獨特的穩定性和結構顏色傳感能力，使得該薄膜在面對外部的刺激時，不僅可以通過馬蘭戈尼效應誘導的定向遷移來應激響應環境變量的變化，而且還可以通過薄膜結構色變化來定量反饋外界的刺激信號。展示了該Janus浸潤性薄膜作為未來公開水域智能水質監測機器人的潛力。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010406