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江南大学马丕波教授团队《Nature Communications》：具有海绵状通道的仿生 Janus 膜用于定向液体传输

2025-12-01 15:57

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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膜技术前沿

定向液体传输 (DLT) 是一种创新技术，它利用多孔材料固有的不对称性，促进液滴在材料体系内单向、被动且无能量的运动。这项技术在环境科学、生物医学应用和功能性纺织品等多个领域都具有至关重要的意义，并在油水分离、控释药物和先进的水分管理等领域得到广泛应用。这些不对称材料通常在微米或纳米尺度上进行设计，具有独特的润湿性和表面形貌，能够有效地引导液体沿特定方向流动。值得注意的是，作为一种新型材料，Janus纤维膜的两面具有截然不同的性质，从而能够实现单向液体传输。近年来，静电纺丝技术因其在制备具有可定制润湿性、高比表面积以及微米和纳米级孔结构的多孔Janus膜方面的多功能性而备受研究界的关注。这些电纺膜通常设计成双层或三层复合结构，主要通过堆叠亲水和疏水纤维膜或沿膜厚度方向的后处理技术来形成亲水-疏水梯度。这些设计在提高液体传输效率和梯度调节方面一直表现出显著的功效。

近日，江南大学马丕波教授团队受植物叶片结构特征（特别是叶片内部的孔隙梯度和液体传输通道）的启发，开发了一种突破性的Janus纳米纤维结构。引入了一种由三维螺旋纳米纤维膜构成的创新型中间缓冲层，以提高孔隙率和水平互连性。多巴胺调控机制协同优化了该缓冲层的孔隙结构和润湿性。所得Janus膜展现出卓越的单向传输指数（1250%）、高油水分离效率（98.92%）和超高通量（13860.77 L·m−2·h−1）。将其与纺织品结合，展现出优异的湿度和温度管理性能，证实了其在油水分离、工业废水处理和高性能功能服装等领域的广泛应用潜力。相关成果以“Biomimetic Janus membrane with spongy channels for directional liquid transport”为题，发表在《Nature Communications》(期刊号：Nat Commun 16, 10001 (2025). IF=15.7)上。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64964-0

图文速递

图1. PHT Janus膜的结构设计、形貌及液体定向传输性能。a 植物叶片内的孔隙梯度和液体传输通道通过上下表皮、栅栏组织和海绵层之间复杂的孔隙结构实现水分传输和水蒸气扩散。这种多层孔隙结构支持纵向水分传输（从根到叶），并通过横向孔隙实现水平分布，从而确保干旱环境下植物的水分平衡。b PHT Janus膜仿生结构的示意图，利用纵向通道和水平互连的孔隙网络构建高效的液体定向传输路径。水平互连的孔隙网络由螺旋纳米纤维构成缓冲吸收层。c 扫描电镜图像显示HINF膜的海绵状结构，形成类似于栅栏组织和海绵层的水平互连通道。d PHT Janus膜的横截面图。 e PAN疏水层和TPU亲水层的放大横截面图。f 采用静电纺丝技术制备的PHT-X Janus纤维膜的照片。当水滴置于PHT-1 Janus纤维膜的顶面时，在两种水传输模式下（疏水到亲水模式(g)和亲水到疏水模式(h)），上下表面的含水量，插图显示了水分布图（蓝色表示湿润，白色表示干燥）。i 水滴在疏水侧和亲水侧的扩散行为表明，当水滴位于疏水侧时，水可以渗透穿过纤维膜并扩散到亲水侧；然而，在亲水侧，水滴仅在表面扩散，而疏水侧保持干燥。

图2.HNF-X膜的制备机理、形貌、组成和润湿性。a. CA和TPU链在有/无PDA分子存在下的结合示意图。HNF-X膜的SEM图像：b. HNF-0；c. HNF-2；d. HNF-4。e. 并排静电纺丝HNF-X的双层条带模型。(e-i) 未添加PDA时的纤维弯曲/螺旋结构。(e-ii) 添加适量PDA后螺旋结构增强。(e-iii) PDA含量过高时的弯曲/直线结构。f. 螺旋曲率K和螺距H随PDA含量的变化曲线。(f)中的误差线代表标准偏差，n = 100次独立测量。g. FTIR光谱。h. 接触角。(h)中的误差线代表标准偏差，n = 3个独立样本。

图3. PHT-X Janus复合纤维膜的表征。a PHT-X Janus纤维膜的示意图。b PHT Janus纤维膜的水上升通道路径和梯度孔径产生更高的毛细力，使水能够自发向上吸收。c 各PHT-X纤维膜的接触角润湿时间变化。d PHT-X Janus纤维膜和对照PAN/TPU2纤维膜两侧的各向异性水穿透压力。(d)中的误差线代表标准偏差，n = 3个独立样本。e 当水滴位于PHT-2样品的疏水侧（TPU）时（疏水到亲水模式），样品上下表面的相对含水量。 f 当水滴位于样品疏水侧（TPU）时，PHT-X Janus 纤维膜和对照 PAN/TPU2 膜顶部和底部的水分布图像（疏水到亲水模式）。

图4. PHT-X Janus纤维膜的DLT机制。a. 疏水性TPU2层上的水滴渗透穿过导电的PHT-2层。b. 亲水性PAN层上的水滴扩散穿过该层。c. 水在PHT-2层中的反重力传输，其中水以亲水-疏水模式从底部的疏水层向上移动到顶部的亲水层。

图5.PHT-X Janus纤维膜的油水分离性能。a. PHT-X Janus纤维膜亲水侧的水下油接触角；插图为疏水侧的油滴形状，所有样品结果一致。a图中的误差线代表标准偏差，n = 3个独立样品。b. PHT-2亲水侧在油中的集水行为。c. PHT-2疏水侧在油中对水的截留行为。d. 油水分离装置。e. PHT-X Janus纤维膜的分离效率和通量。e图中的误差线代表标准偏差，n = 3个独立样品。f. PHT-2 Janus纤维膜在不同分离循环次数下的分离效率和通量。g. 与文献报道的织物/纤维膜相比，PHT-X膜在相似的高分离效率下表现出更高的通量。

图6. 由PHT-2复合织物制成的先进吸湿排汗降温功能服装的热湿管理性能。a. PHT-2与织物复合应用于服装。b. PHT-2与KF复合后，吸湿排汗功能服装的吸湿排汗性能展示。c. 通过MMT测试评估KF、WF和DLT-KF与PHT-2复合后的吸湿排汗性能，并与三种原始织物进行比较。d. PHT-2与不同类型KF复合后的透湿性，并与原始织物进行比较。e. PHT-2与不同类型KF复合后的透气性。(c-e)中的误差线代表标准偏差，n=3个独立样本。f. 三种原始织物和与PHT-2复合的织物覆盖湿润皮肤后的红外热像图。g. 与文献报道的具有热调节性能的织物和纤维薄膜相比，复合PHT-2薄膜织物表现出更好的降温效果。

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