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  仿生超浸潤(rùn)性材料在自清潔、防霧和防結(jié)冰等領(lǐng)域發(fā)揮著不可忽視的作用，人們?yōu)榱藰?gòu)建高效的超浸潤(rùn)表面已經(jīng)開發(fā)了多種方法，包括等離子處理法、逐層法和氣相沉積法等等。近些年來(lái)由于其在油水分離、霧氣集水和液滴輸運(yùn)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，研究人員更加關(guān)注Janus浸潤(rùn)性薄膜的構(gòu)建。盡管取得了許多進(jìn)展，但目前現(xiàn)有的Janus浸潤(rùn)性表面大多缺乏對(duì)環(huán)境刺激反應(yīng)的可視化。在實(shí)際應(yīng)用中，只報(bào)告單一刺激信號(hào)的薄膜會(huì)使其很難定位外部刺激信號(hào)的時(shí)間和強(qiáng)度。因此，能夠實(shí)時(shí)、肉眼可見并且能夠定性定量反應(yīng)外界刺激響應(yīng)性信號(hào)的Janus浸潤(rùn)性薄膜仍然是人們非常期待的。

圖：結(jié)合刺激響應(yīng)結(jié)構(gòu)色薄膜與蠟燭煙塵涂層的優(yōu)點(diǎn)，提出了受多生物啟發(fā)的可浸潤(rùn)性機(jī)器裝置的設(shè)計(jì)方案。

  最近，南京師范大學(xué)未來(lái)光電功能材料研究中心劉慈慧、狄云松、甘志星團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為“Bioinspired Tunable Structural Color Film with Janus Wettability and Interfacial Floatability towards Visible Water Quality Monitoring”的文章，他們從荷葉的自清潔特性和界面的穩(wěn)定性以及斗魚的變色機(jī)理出發(fā)，提出了一種新穎的由蠟燭煙灰和彈性（PU/P(NiPAAm-bis-AA)）聚合物制備的結(jié)構(gòu)色薄膜，用于可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)。他們將制備的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上層引入蠟燭煙灰，由于PU/P(NiPAAm-bis-AA)層具有反蛋白石結(jié)構(gòu)，使其具有明亮的結(jié)構(gòu)色彩和超親水性。此外反蛋白石支架上層附著的煙灰涂層，不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)色彩，而且形成了超疏水表面。上下表面相異的超浸潤(rùn)性能使其具有優(yōu)秀的氣液界面穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定的漂浮在水面。在復(fù)雜液體環(huán)境中獨(dú)特的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)顏色傳感能力賦予該薄膜在面對(duì)外部的刺激時(shí)，不僅可以通過(guò)馬蘭戈尼效應(yīng)誘導(dǎo)的定向遷移來(lái)應(yīng)激響應(yīng)環(huán)境變量的變化，而且還可以通過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)色變化來(lái)定量反饋外界的刺激信號(hào)。這些特征展示了該Janus浸潤(rùn)性薄膜作為未來(lái)公開水域智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的潛力。

1. Janus浸潤(rùn)性薄膜的構(gòu)筑及性能

  首先通過(guò)垂直沉積方法從二氧化硅納米粒子的自組裝中得到膠體晶體模板。然后通過(guò)復(fù)制模板，制備了PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石結(jié)構(gòu)的薄膜，為了制備具有Janus浸潤(rùn)性的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石薄膜，在制備的反蛋白石支架的上層附著蠟燭煙灰，使其上層具有超疏水性。由于下層具有有序的反蛋白石納米結(jié)構(gòu)，薄膜下層具有鮮艷的結(jié)構(gòu)色，這是由光子帶隙（PBG）特性決定的，在光子帶隙中，同一頻率的光被禁止傳播和選擇性反射。反蛋白石層表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)色，是由于周圍環(huán)境的變化導(dǎo)致折射率的變化導(dǎo)致的，使得Janus浸潤(rùn)性薄膜具有可視化信號(hào)響應(yīng)性。

圖1  Janus浸潤(rùn)性薄膜的構(gòu)筑過(guò)程與結(jié)構(gòu)。a）制造過(guò)程的示意圖。b）所制備的光子晶體蛋白石結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c）制備的光子晶體反蛋白石結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。d)光子晶體蛋白石結(jié)構(gòu)和反蛋白石結(jié)構(gòu)相應(yīng)的反射光譜和光學(xué)圖像。e)具有可調(diào)結(jié)構(gòu)顏色的仿生Janus潤(rùn)濕性薄膜的反射光譜。

  利用上下表面相異的超浸潤(rùn)性能，Janus浸潤(rùn)性薄膜還具有優(yōu)異的界面穩(wěn)定性和抗旋轉(zhuǎn)性能力，在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定的漂浮在界面上。在實(shí)驗(yàn)中即使薄膜被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，在水的運(yùn)動(dòng)下也能恢復(fù)和保持初始狀態(tài)。

圖2  Janus浸潤(rùn)性薄膜上下表面相異超浸潤(rùn)性和抗旋轉(zhuǎn)能力。a)浮在水面上的薄膜的示意圖。b)證明了漂浮在水面上的仿生Janus薄膜的超浸潤(rùn)性。c)仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜在水的運(yùn)動(dòng)下保持其原始的形狀，顯示出良好的抗旋轉(zhuǎn)能力。d)被翻轉(zhuǎn)的仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜，在水的運(yùn)動(dòng)下恢復(fù)了原來(lái)的狀態(tài)。 

  在界面平衡試驗(yàn)中，探討了三種樣品與空氣-水界面的相互作用，包括全面超疏水(ASHB)薄膜、全面超親水(ASHL)薄膜和超疏水/超親水(SHB/SHL)協(xié)同Janus浸潤(rùn)性薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了Janus浸潤(rùn)性薄膜在相互作用力的協(xié)同效應(yīng)下顯示了獨(dú)特的穩(wěn)定性。

圖3  展示了樣品薄膜與空水界面之間的靜止?fàn)顟B(tài)和光學(xué)圖像。a）ASHB薄膜在按壓界面時(shí)可產(chǎn)生空氣陷阱，但當(dāng)膜從水面上抽出時(shí)，液體橋并不明顯。b） 相比之下，ASHL薄膜并沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)空氣陷阱，而是顯示了一個(gè)液體橋。c） 對(duì)于仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜，可以同時(shí)觀察到了空氣陷阱和液體橋。

  此外在復(fù)雜液體環(huán)境中，對(duì)Janus浸潤(rùn)性薄膜的穩(wěn)定性進(jìn)行了進(jìn)一步探究。下圖表明了Janus浸潤(rùn)性薄膜（上表面為超疏水層，下表面為超親水層）在與不同極性的油水界面接觸時(shí)，能夠保持平坦和緊密地停留在界面上。體現(xiàn)了Janus浸潤(rùn)性薄膜在復(fù)雜的液體界面上良好的穩(wěn)定性，為實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。

圖4 通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉所提出的樣品薄膜與雙液相系統(tǒng)之間的界面可浮性的方案和光學(xué)圖像。雙液相系統(tǒng)由正己烷/水、辛烷/水和庚烷/水組成。a)ASHB薄膜在三種雙液相系統(tǒng)上扭曲。b)ASHL薄膜呈現(xiàn)倒碗狀態(tài)。c)仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜具有良好的穩(wěn)定性。

2. 實(shí)際應(yīng)用

  考慮到其上下表面相異的超浸潤(rùn)性能使其具有優(yōu)秀的氣液界面穩(wěn)定性以及在復(fù)雜液體環(huán)境中獨(dú)特的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)色傳感能力，仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜有望在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了證明這一點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)旨在模擬污染河流中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，探索仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜的刺激響應(yīng)能力。在模擬實(shí)驗(yàn)中，丙酮溶液用蠕動(dòng)注射泵從T型端注入通道中，隨著丙酮溶液的濃度變化時(shí)，Janus浸潤(rùn)性薄膜發(fā)生了由馬蘭戈尼效應(yīng)誘導(dǎo)的定向位移變化以及薄膜的結(jié)構(gòu)色由綠色過(guò)度到紅色，即使在不同類型不同表面張力的液體刺激下也能顯示出良好的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)色傳感能力。同時(shí)，實(shí)時(shí)記錄了定向位移的變化量和結(jié)構(gòu)色變化，隨著濃度的變化，Janus薄膜的位移變化量和結(jié)構(gòu)色有相對(duì)應(yīng)的變化。此外在實(shí)驗(yàn)中還體現(xiàn)了薄膜良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)耐久性，以上表明該薄膜在未來(lái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖5  Janus機(jī)器人薄膜的應(yīng)用示意圖。a)在T型水道中，圖案化的仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜在外部刺激下的運(yùn)動(dòng)。b)反射波長(zhǎng)隨丙酮濃度變化的光學(xué)圖像和關(guān)系。c)圖案化的仿生Janus浸潤(rùn)性薄膜在不同類型不同表面張力的液體刺激下的位移距離。

  綜上所述，受天然生物的啟發(fā)，作者在PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上層引入煙灰涂層，研制出一種新型Janus浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)色薄膜。薄膜在復(fù)雜液體環(huán)境中具有獨(dú)特的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)顏色傳感能力，使得該薄膜在面對(duì)外部的刺激時(shí)，不僅可以通過(guò)馬蘭戈尼效應(yīng)誘導(dǎo)的定向遷移來(lái)應(yīng)激響應(yīng)環(huán)境變量的變化，而且還可以通過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)色變化來(lái)定量反饋外界的刺激信號(hào)。展示了該Janus浸潤(rùn)性薄膜作為未來(lái)公開水域智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的潛力。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010406