過去，人們都喜歡用棉花做制造運動服的紡織原料，因為親水基的棉制品具有在出汗時吸汗水的性質(zhì)，可棉纖維的保水性也是非常強的，棉纖維在吸入了汗水之后，干燥速度很慢。此外，浸潤水分的棉織物重量加重，其運氣性下降并粘貼在皮膚上，從而給人體皮膚造成一種“粘糊糊”的不快之感，往往妨礙身體的活動。近幾年的國內(nèi)紡織品市場上，對吸濕排汗紡織品需求呼聲逐漸高漲，已引起業(yè)界人士的關(guān)注。
在自然界中，許多生物體都能夠?qū)崿F(xiàn)液體的定向運輸。研究發(fā)現(xiàn)，這些生物體可以從稀薄的空氣中集水，再將收集的水自發(fā)定向運輸?shù)阶炖锘蛏砩?，而這種本領(lǐng)一般是靠其精妙的微觀形貌實現(xiàn)的，其驅(qū)動力主要來源于表面的能量梯度和拉普拉斯壓力梯度。大量的研究結(jié)果表明，在液體定向運輸領(lǐng)域仍然存在兩大挑戰(zhàn)：（1）多層多孔結(jié)構(gòu)材料機械性能差且不穩(wěn)定，容易發(fā)生分層；（2）對于親-疏水雙面膜，需要較大的初始驅(qū)動壓力并且液體容易發(fā)生堵塞；對于單純的親水膜，則很難操控液體的運輸方向。
為了解決這一系列問題，北航江雷院士、田東亮團隊設(shè)計并構(gòu)筑了一種超親水-親水自支撐單層多孔的聚醚砜（PES）膜，實現(xiàn)了液體的定向運輸。通過采用相轉(zhuǎn)化法，改變乙醇/水的體積比，能夠獲得具有不同運輸行為的多孔膜，用于液體的單向滲透、雙向非滲透以及雙向滲透。對于乙醇/水-70%制備的多孔膜，能夠?qū)崿F(xiàn)寬pH范圍液體的定向運輸。此外，多孔單層膜能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的并且克服重力的液體定向運輸，可用于設(shè)計除濕材料，吸濕排汗。該研究以題為“Highly Flexible Monolayered Porous Membrane with Superhydrophilicity–Hydrophilicity for Unidirectional Liquid Penetration”的論文發(fā)表在《ACS NANO》上。
【圖文解析】
解析：柔性多孔單層PES膜制備與表征。作者首先通過相轉(zhuǎn)化法制備了不同尺寸空隙的單層多孔膜，其中與玻璃基底接觸的I-面有較大的孔，II-面則形成較小的空隙。通過調(diào)控乙醇/水（E/W）的體積比，可以獲得孔隙從微米到納米尺度可調(diào)控的單層膜。其中以E/W-PES-70%為例，通過SEM圖像觀察，作者制備了～38 μm厚的單層多孔膜，證實膜兩面具有不同尺寸大小的孔隙。并且制備的單層膜在室溫，甚至液氮中都具有優(yōu)異的柔韌性。
解析：水滴在多孔PES膜上的運輸行為。當水滴滴到PES膜上時，水滴從 II-面逐漸滲透到I-面，實現(xiàn)液體定向運輸，此“液體二極管”行為適用于不同pH值（ pH = 1-14 ）的水滴。此外，不同乙醇/水體積比制備的多孔膜具有不同的液體運輸行為。
解析：液滴在膜表面動態(tài)浸潤狀態(tài)。液滴迅速在I-面鋪展，在 II-面能滲透到I-面，并且鋪展面積相對較小。而此現(xiàn)象是由于膜表面孔隙尺寸大小不同所造成的。此外，初始PES的體積和濃度對單層膜液體運輸行為具有一定影響，固定PES溶液濃度（Co），當溶液體積為50–100 μL，能夠?qū)崿F(xiàn)液體定向運輸；固定PES溶液體積（50 μL），濃度范圍為Co–1.5Co，能夠?qū)崿F(xiàn)液體定向運輸。
解析：液滴定向運輸機制。當液滴接觸到單層膜時，拉普拉斯壓（PL ）
和靜水壓（PH）決定了液滴的浸潤行為。其中PL 提供毛細驅(qū)動力，能驅(qū)動液體滲透表面，而 PH可推動液滴下滑。其中液體鋪展和滲透行為取決于膜孔隙尺寸梯度。根據(jù)公式：
當PH> PL 時，即ΔP > 0,水滴能夠穿過孔隙，透過表面。
解析：多孔PES單層膜克服重力的液體定向運輸行為?；赑ES單層膜的低壓液體定向運輸行為，汗液可以快速導(dǎo)出，從而避免因為出汗而產(chǎn)生的粘稠和過冷的感覺。此外，液滴可以克服重力，自下而上地從膜的I-面運輸?shù)?II-面。相比于傳統(tǒng)的棉紡織品，此單層膜具有低的粘附力和快速導(dǎo)汗能力，能夠讓皮膚感到更加的干爽和舒適。并且可以反復(fù)多次使用，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
【小結(jié)】
本篇文章，研究人員采用相轉(zhuǎn)化法，開發(fā)了一種兩面具有微納孔隙尺寸結(jié)構(gòu)的超親水-親水單層多孔PES膜，可用于寬范圍pH值液體的定向運輸以及克服重力的定向運輸，制作過程簡單有效。這種新穎的多孔單層膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、柔韌性和抗腐蝕性，可以廣泛用于速干面料、生物醫(yī)療和除濕材料等領(lǐng)域。
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