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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(tuán)隊(duì) 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其獨(dú)特的跨膜定向水功能廣泛應(yīng)用于油水分離、水霧收集以及可穿戴貼片等領(lǐng)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(xué)涂層修飾(對(duì)疏水、親水基底分別進(jìn)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(yùn)輸。然而,使用過程中化學(xué)涂層易被磨損導(dǎo)致功能失效、非工作狀態(tài)時(shí)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(duì)日益迫切的實(shí)際應(yīng)用需求,Janus耐用性問題亟待解決。


  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院胡衍雷教授與合肥工業(yè)大學(xué)張亞超副教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將Janus薄膜的工作模式、保護(hù)模式分開考慮,通過拉伸和釋放軟材料實(shí)現(xiàn)親水微孔-槽通道的裸露與隱藏保護(hù),即工作/保護(hù)模式切換。當(dāng)Janus膜遇到外界機(jī)械摩擦或沖擊時(shí),通過主動(dòng)切換到釋放保護(hù)模式,提高了Janus膜的耐用性;凇澳J角袚Q”策略,該團(tuán)隊(duì)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(hù)模式賦予了Janus膜機(jī)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(hù)模式還能抵御砂紙摩擦、手指按壓、沙子沖擊、膠帶剝離等嚴(yán)苛測試,以及防止污染物顆粒堵塞通道(圖2)。作為概念驗(yàn)證,將模式切換耐用型Janus薄膜應(yīng)用于沙漠環(huán)境下的水霧收集。例如清晨水霧彌漫無風(fēng)沙時(shí)將Janus膜拉伸至工作模式進(jìn)行水霧收集,而沙塵暴來臨時(shí)切換為保護(hù)狀態(tài)以抵御沙土摩擦沖擊。以30分鐘水霧收集量為例,結(jié)果顯示嚴(yán)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(duì)保護(hù)模式Janus膜進(jìn)行了不同溫度、不同濕度以及不同化學(xué)環(huán)境的長期儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示經(jīng)過10天儲(chǔ)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(xué)穩(wěn)定性(圖3)。本研究提出的模式切換策略在推動(dòng)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(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重大潛力。2024216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(shè)計(jì)與制備

 

圖2. 極端條件下Janus膜的機(jī)械耐久性測試

 

圖3. 基于耐久型Janus膜的水霧收集應(yīng)用


  文章第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生崔澤航、合肥工業(yè)大學(xué)張亞超副教授。通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授,合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)褚家如教授、吳東教授、李家文副教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金等項(xiàng)目的支持。


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

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