北航田东亮课题组ACS Nano: 高度柔性的单层多孔膜，创造干燥舒适的体感环境- 大数跨境

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北航田东亮课题组ACS Nano: 高度柔性的单层多孔膜，创造干燥舒适的体感环境

科学材料站

2020-06-10

导读：本文作者采用相转化法，开发了一种具有微纳孔洞结构的超亲水-亲水单层多孔PES膜，可用于全pH范围内液体的定向运输以及反重力的定向运输。这种新颖的多孔单层膜具有优异的稳定性、柔韧性和抗腐蚀性，可以广泛用

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用于液体定向渗透的超亲水-亲水性的高度柔性单层多孔膜

作者：张秋雅，李燕，闫玉凤，张孝芳，田东亮*，江雷

单位：北京航空航天大学

研究背景

人们通常都喜欢用棉花作为运动服的纺织原料，因为亲水基的棉制品具有在出汗时吸汗水的作用，可是棉纤维的保水性也是非常强的，棉纤维在吸入了汗水之后，干燥速度会变得很慢。此外，浸润水分的棉织物重量加重，其运气性下降并粘贴在皮肤上，从而给人体皮肤造成一种“粘糊糊”的不快之感，往往妨碍身体的活动。近几年的国内纺织品市场上，对吸湿排汗纺织品需求呼声逐渐高涨，已引起业界人士的关注。

在自然界中，许多生物体都能够实现液体的定向运输。研究发现，这些生物体可以从稀薄的空气中集水，再将收集的水自发定向运输到嘴里或身上，而这种本领一般是靠其精妙的微纳米结构实现的，其驱动力主要来源于表面的能量梯度和拉普拉斯压力梯度。大量的研究结果表明，在液体定向运输领域仍然存在两大挑战：（1）多层多孔结构材料机械性能差且不稳定，容易发生分层；（2）对于亲-疏水性膜，液体需要较大的初始驱动压力并且容易发生堵塞；对于全亲水性膜，则很难按需操控液体的运输方向。

文章简介

为了解决这一系列问题，创造干燥舒适的体感环境。北航田东亮课题组设计并构筑了一种超亲水-亲水自支撑单层多孔的聚醚砜（PES）膜，实现了液体的定向运输。通过采用相转化法，改变乙醇/水的体积比，能够获得具有不同液体运输行为的多孔膜，用于液体的单向渗透、双向非渗透以及双向渗透。对于乙醇/水为70%所制备得到的多孔膜，能够实现在全pH范围内液体的单向运输。此外，多孔单层膜还能够实现持续、反重力的液体单向运输，可用于设计除湿材料，进行吸湿排汗。

该研究以题为“Highly Flexible Monolayered Porous Membrane with Superhydrophilicity–Hydrophilicity for Unidirectional Liquid Penetration”的论文发表在《ACS NANO》上。该文章第一作者为张秋雅博士，北京航空航天大学田东亮副教授为通讯作者。

要点解析

要点一：

图1. 柔性多孔单层PES膜的制备与表征

a)通过相转化法制备多孔PES膜的示意图。E/W-PES-70%膜

b) I表面，

c)横截面以及

d) II表面的SEM图像。E/W-PES-70%膜

e) I-表面以及

f) II-表面的孔隙分布图，对应b)和d)。

g) PES膜在室温和液氮下表现出优异的柔韧性。

图1显示了柔性多孔单层PES膜的制备与表征。

作者首先通过相转化法制备了不同孔隙结构的单层多孔膜，其中与玻璃基底接触的I-面形成尺寸较大的孔径，II-面则形成尺寸较小的孔径。通过调控乙醇/水（E/W）的体积比，可以获得孔径从微米到纳米尺度可调控的单层膜。其中以E/W-PES-70%为例，通过SEM图像观察，可以得到∼38 μm厚的单层多孔膜，证实膜两面具有不同尺寸大小的孔径。并且制备的单层膜在室温，甚至液氮中都具有优异的柔韧性。

要点二：

图2.液滴在膜表面动态浸润状态

a) E/W-PES膜的单向渗透特性示意图。

b) 液滴在E/W-PES-70%膜的I-表面铺展，但可以从II-表面渗透到I-表面，表明了单向渗透行为。

c) 液滴在W-PES膜的双向非渗透行为。

d) 液滴在E-PES膜的双向渗透行为。

图2显示了液滴在多孔PES膜上的运输行为。

当水滴滴到E/W-PES-70%膜上时，水滴从II-面逐渐渗透到I-面，实现液体单向运输，此“液体二极管”行为适用于不同pH值（ pH = 1-14 ）的液滴。此外，不同乙醇/水体积比制备的多孔膜也具有不同的液体运输行为。

要点三：

图3. 液滴在膜表面动态润湿行为

E/W-PES-70%膜在a) I-表面和

b) II-表面的动态润湿行为，表明液滴在I-表面铺展，但从II-表面渗透。

液滴的在不同c, d) 体积以及e, f) 浓度的E/W-PES-70%膜表面的动态润湿行为。

g)不同PES膜在I-以及II-表面的穿透压力。

图3显示了液滴在膜表面动态浸润状态。

当液滴滴在I-面，液滴迅速发生铺展。当液滴滴在II-面，液滴可以发生渗透，并且铺展面积相对较小。此外，初始PES的体积和浓度对单层膜液体运输行为也具有一定影响，固定PES溶液浓度（C0），当溶液体积为50–100 μL，能够实现液体定向运输；固定PES溶液体积（50 μL），浓度范围为C0–1.5C0，也能够实现液体单向运输。

要点四：

图4. 液滴单向运输机制

a)多孔E/W-PES-70%膜可建模为简单的矩形阵列，将相邻矩形之间的距离简化为多孔结构的孔径。

b)液滴在多孔E/W-PES-70%膜表面的液-气界面的示意图。

液滴在E/W-PES-70%膜 c) I-表面以及 d) II-表面的润湿状态示意图，显示了单向渗透行为。

液滴的定向运输机制。

深入了解PES膜的定向运输机理，有助于开发其实际应用。当液滴接触PES多孔膜表面时，会产生两种力的竞争，即拉普拉斯压（PL）和静水压（PH），从而导致不同的润湿行为。其中PL 提供毛细驱动力，而PH可推动液滴向下输运。结果表明，液体扩散与渗透之间的竞争取决于膜的孔径梯度，而孔径梯度对液体的单向渗透起关键作用，即公式：

要点五：

图5.多孔PES膜的反重力定向液体运输行为

a) 示意图展示了E/W-PES膜可以通过排汗达到最大的舒适性，具有良好的透湿性和吸湿性能。

b) 液体在膜表面的反重力单向上升示意图。

c) E/W-PES-70%膜、

d) E-PES膜和E) W-PES膜表面的液滴输运行为。

f) E/W-PES-70%膜的快干性能。

g) E/W-PES-70%膜反重力单向上升性能的稳定性。

多孔PES膜的反重力定向液体运输行为。

基于PES单层膜的液体定向运输行为，进一步发现PES膜可以克服液滴的重力，自下而上地从膜的II-面运输到I-面。相比于传统的棉纺织品，此单层膜具有低的粘附力和快速导汗能力，能够让皮肤感到更加的干爽和舒适，并且可以反复多次使用，具有优异的稳定性。因此汗液可以快速导出，从而避免因为出汗而产生的粘稠和过冷的感觉。

结论

综上所述，作者采用相转化法，开发了一种具有微纳孔洞结构的超亲水-亲水单层多孔PES膜，可用于全pH范围内液体的定向运输以及反重力的定向运输。这种新颖的多孔单层膜具有优异的稳定性、柔韧性和抗腐蚀性，可以广泛用于速干面料、生物医疗和除湿材料等领域。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02558

第一作者及导师简介:

田东亮，北京航空航天大学（Beihang Universtity）化学学院副教授。2009年，中科院国家纳米科学中心博士毕业，师从江雷院士。2014-2015年在澳大利亚卧龙岗大学超导与电子材料研究所，担任访问学者，师从窦士学院士。田东亮副教授的研究工作集中在光、电、磁功能微纳多尺度材料的构筑及其界面性能研究，在智能流体传输、功能材料图案化、液体显示、微流体检测、微电子技术等方面有重要的应用。目前，主持国家自然基金3项（青年1项、面上2项），北京市自然科学基金2项，中央高校基础科研业务费3项（培育1项，重点2项），以科研骨干参与973计划项目1项，并参与了多项国家重点基金的研究工作，2013年获得北京市“青年英才计划”支持。在SCI 权威期刊如 Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等上发表论文四十余篇（IF>10的论文21篇），其中多次以封面发表。申请国家发明专利二十余项，其中11项已获授权，撰写英文专著7章节。