Janus薄膜以其獨(dú)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(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(guò)微通道可以從疏水面向親水面定向運(yùn)輸。然而，使用過(guò)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(wèn)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薄膜的耐用性問(wèn)題亟待解決。針對(duì)Janus薄膜的耐用性不足問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室胡衍雷教授和張亞超副研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將Janus薄膜的工作模式、保護(hù)模式分開(kāi)考慮，通過(guò)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(guò)主動(dòng)切換到保護(hù)模式，提高了Janus膜的耐用性。基于“模式切換”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(cè)試下仍能保持水滴的單向透過(guò)功能。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(cè)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(jì)與制備

該團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光刻蝕在預(yù)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(duì)微槽面進(jìn)行親水涂層修飾，而背面仍保持硅膠本征疏水性實(shí)現(xiàn)Janus功能。硅膠釋放后微槽、微孔封閉保護(hù)微通道內(nèi)的親水涂層以抵御機(jī)械沖擊。拉伸工作模式、釋放保護(hù)模式的按需切換賦予了Janus薄膜機(jī)械耐久性，保護(hù)模式不僅能抵抗持續(xù)性機(jī)械摩擦，還能作為儲(chǔ)存模式減緩親水涂層的失效，實(shí)現(xiàn)單向水透過(guò)功能長(zhǎng)期保持（圖1）。

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圖2.極端條件下Janus膜的機(jī)械耐久性測(cè)試

對(duì)處于保護(hù)模式的Janus膜依次進(jìn)行砂紙摩擦、手指按壓、沙子沖擊、膠帶剝離等嚴(yán)苛測(cè)試，每次測(cè)試后將Janus膜拉伸到工作模式，并對(duì)水的單向透過(guò)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，Janus膜的功能仍能保持。此外，經(jīng)過(guò)微小砂礫沖刷等測(cè)試后，微通道內(nèi)部仍保持清潔無(wú)污染，證明保護(hù)模式閉合的微通道不僅能抵御機(jī)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(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(wú)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(lái)臨時(shí)切換為保護(hù)狀態(tài)以抵御沙土摩擦沖擊。對(duì)圖2所示嚴(yán)苛測(cè)試前后Janus膜的水霧收集能力進(jìn)行對(duì)比，以30分鐘水霧收集量為例，結(jié)果顯示嚴(yán)苛測(cè)試后收集量?jī)H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(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，將保護(hù)模式Janus膜放置于不同溫度、不同濕度以及不同化學(xué)環(huán)境條件下進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)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對(duì)于推動(dòng)Janus薄膜在多相分離提純、微流體操控與可穿戴健康監(jiān)測(cè)貼片等多種領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重大潛力。

工程科學(xué)學(xué)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(xué)副教授）為論文第一作者。通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授，合作者還包括中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、科技部國(guó)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