Janus薄膜以其獨特的跨膜定向輸水功能廣泛應(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(yīng)用需求，Janus薄膜的耐用性問題亟待解決。針對Janus薄膜的耐用性不足問題，中國科學技術(shù)大學工程科學學院微納米工程實驗室胡衍雷教授和張亞超副研究員團隊創(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，通過主動切換到保護模式，提高了Janus膜的耐用性�；�于“模式切換”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。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。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)表于Nature Communications。

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圖1.“模式切換”耐用型Janus膜的設(shè)計與制備

該團隊利用飛秒激光刻蝕在預拉伸硅膠基底上制備出由柵格狀微槽與微孔構(gòu)成的三維微通道，并對微槽面進行親水涂層修飾，而背面仍保持硅膠本征疏水性實現(xiàn)Janus功能。硅膠釋放后微槽、微孔封閉保護微通道內(nèi)的親水涂層以抵御機械沖擊。拉伸工作模式、釋放保護模式的按需切換賦予了Janus薄膜機械耐久性，保護模式不僅能抵抗持續(xù)性機械摩擦，還能作為儲存模式減緩親水涂層的失效，實現(xiàn)單向水透過功能長期保持（圖1）。

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圖2.極端條件下Janus膜的機械耐久性測試

對處于保護模式的Janus膜依次進行砂紙摩擦、手指按壓、沙子沖擊、膠帶剝離等嚴苛測試，每次測試后將Janus膜拉伸到工作模式，并對水的單向透過時間進行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，Janus膜的功能仍能保持。此外，經(jīng)過微小砂礫沖刷等測試后，微通道內(nèi)部仍保持清潔無污染，證明保護模式閉合的微通道不僅能抵御機械沖擊，還能防止污染物顆粒堵塞通道（圖2）。

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圖3.基于耐久型Janus膜的水霧收集應(yīng)用

最后，作為概念驗證，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。對圖2所示嚴苛測試前后Janus膜的水霧收集能力進行對比，以30分鐘水霧收集量為例，結(jié)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，考慮到水霧收集器實際應(yīng)用環(huán)境的復雜性，將保護模式Janus膜放置于不同溫度、不同濕度以及不同化學環(huán)境條件下進行長期儲存實驗。結(jié)果顯示經(jīng)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對于推動Janus薄膜在多相分離提純、微流體操控與可穿戴健康監(jiān)測貼片等多種領(lǐng)域的實際應(yīng)用具有重大潛力。

工程科學學院博士生崔澤航、特任副研究員張亞超（現(xiàn)為合肥工業(yè)大學副教授）為論文第一作者。通訊作者為中國科學技術(shù)大學胡衍雷教授，合作者還包括中國科學技術(shù)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