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中科大胡衍雷教授與合工大張亞超副教授聯(lián)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(tǒng)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(tài)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(yè)大學張亞超副教授聯(lián)合團隊創(chuàng)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(xiàn)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�；凇澳Ｊ角袚Q”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(fā)現(xiàn)，保護模式賦予了Janus膜機械耐久性，在2000次摩擦循環(huán)、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(huán)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(tài)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)了Janus薄膜的熱穩(wěn)定性、濕度穩(wěn)定性以及化學穩(wěn)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(jiān)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(fā)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(yè)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(yōu)秀青年科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、科技部國家重點研發(fā)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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