Janus膜的定向传递揭示—定量化的三阶段模型

两侧具有相反浸润性的Janus膜凭借其独特的单向传递性质已经引起研究者们越来越多的关注。液体可以从Janus膜的疏液侧传递至亲液侧，而无法反向传递。此类独特的传递行为使Janus膜被广泛用于如破乳、雾收集、汗液管理和伤口敷料等一系列存在质能传递和转换领域。尽管利用Janus膜定向传递的应用已越来越多，而控制这种运输的精确过程仍然不清楚。为进一步实现Janus膜性能优化及应用扩展，明晰驱动单向传输的机制至关重要。

在这份工作中，浙江大学徐志康教授团队提出将Janus膜内的单向传递行为分为三个阶段：分别为液体入侵阶段、毛细浸润阶段和液体传递阶段，并以常见的疏水-亲水Janus膜视为模型进行研究。通过有限元模拟分析，阐明了液体水在双层和梯度Janus结构的侵入机制：分别为直接接触和表面能驱动；紧接着毛细浸润阶段随之发生，此时传递驱动力主要来自亲水孔隙内的毛细力；液体传递阶段则发生在亲水层吸附饱和时，传递依靠液滴自身的Laplace压驱动。

图1：Janus膜的单向液体传递及其机理揭示。

之前研究已明确亲水层的毛细拉力是单向传递的驱动力，然而液体如何穿透疏水层抵达亲水层尚无说明，但液体侵入阶段却是定向传递能够发生的关键。由于材料和应用种类繁多，我们将Janus结构分为两大类进行侵入机制研究。对于具有明确亲疏水界限的Janus膜而言，液体在疏水孔道内存在一定渗透深度，只有当渗透深度大于疏水层厚度时，液体才能够接触到下方亲水层引发传递。孔径和表面浸润性则都会对液体在疏水孔道内的渗透深度产生影响。

图2：液体侵入双层Janus膜的机理。a)液体侵入的临界条件；b)液体侵入的理论临界疏水层厚度以及文献报道的结果；c)理论临界厚度随疏水层WCA的变化而变化。

而对于具有梯度结构的Janus膜而言，液体在孔道内的传输则是依靠表面能梯度驱动的。从微观热力学的角度来看，液体倾向于接触表面能高的表面，这是因为液体对表面能高的固体的粘附力比表面能低的固体强。通过这种定向运动，液体趋向于达到热力学稳定状态。同时浸润性梯度对液体的传递速率存在影响，浸润性越大，传递速率越快。

图3：梯度Janus膜中的液体侵入机制。a)具有梯度润湿性的直孔中的液体运动和三相线位置；b)给定润湿性梯度下随时间的渗透深度和速度；c)不同润湿性梯度下的模拟渗透时间。

一旦液体穿透疏水层接触到亲水层，毛细浸润阶段随之发生。此时液体受到的传递驱动力有亲水孔道的毛细力和液滴自身的Laplace压。从数值关系推断出，亲水孔道的毛细力要远大于液滴自身的Laplace压，因此毛细浸润阶段的传递驱动力主要为亲水孔隙的毛细力。而当亲水层吸附饱和后，孔道内的毛细力消失，液体传递阶段仅由液滴自身的Laplace压驱动。我们也通过实验手段测试了两个阶段传递时间的差异，以此来证明传递驱动力的差异。

图4：Janus膜中毛细管润湿和液体输送的动态过程。a)毛细润湿阶段示意图；b)毛细润湿阶段的水接触角和流速；c)毛细管润湿和输液阶段的输送时间和驱动力；d)液体输送阶段示意图；e)输液阶段的水接触角和流速；f)液体输运阶段的拉普拉斯压力。

综上所述，三阶段模型定量揭示了Janus膜内单向传递的机制，阐明了单向传递能够发生的关键以及过程动力学，研究了传递过程的影响因素，为进一步实现Janus膜性能优化及应用扩展提供了精确的理论指导。

该工作近期以“Unveiling Unidirectional Transport within Janus Membranes”为题发表在Small Structures上（DOI：10.1002/sstr.202400470）。文章第一作者为博士研究生李凯，团队导师杨皓程研究员和徐志康教授为共同通讯作者。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202400470