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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)，不僅可以通過馬蘭戈尼效應(yīng)誘導(dǎo)的定向遷移來應(yīng)激響應(yīng)環(huán)境變量的變化，而且還可以通過薄膜結(jié)構(gòu)色變化來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)筑過程與結(jié)構(gòu)。a）制造過程的示意圖。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)過來，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)，不僅可以通過馬蘭戈尼效應(yīng)誘導(dǎo)的定向遷移來應(yīng)激響應(yīng)環(huán)境變量的變化，而且還可以通過薄膜結(jié)構(gòu)色變化來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