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 【引言】

相比于潤濕行為不可逆的材料，具有可調(diào)控浸潤性的表面在液體輸送、微滴反應(yīng)器以及選擇性油水分離等領(lǐng)域中有著更為廣泛的應(yīng)用，因此獲得了人們的極大關(guān)注。其中，液下雙疏的表面材料的浸潤性可隨預(yù)浸潤液體的不同而改變，即當(dāng)水浸潤時顯示疏油性，當(dāng)油浸潤時顯示疏水性。目前關(guān)于該類表面材料的報(bào)道較少，并且沒有對這種特殊浸潤性的機(jī)理加以研究，因此這類材料的定向制備仍具挑戰(zhàn)性。

【成果簡介】

吉林大學(xué)于吉紅院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種制備具有液下雙疏特性表面材料的有效方法，通過在靜電紡絲的聚丙烯腈（PAN）納米纖維膜上涂覆具有不同端基的薄膜，系統(tǒng)地調(diào)變PAN纖維膜表面的化學(xué)組成，開發(fā)了一系列具有：（1）水下親油/油下疏水；（2）水下疏油/油下親水；（3）液下雙疏的膜材料（TFPNMs）。同時，該修飾層可以提高PAN纖維在非質(zhì)子性溶劑（例如DMF和DMSO）中的穩(wěn)定性。其中，表面端基為氰基的PAN纖維膜（CTFPNM）具有液下超雙疏液的特性，可以實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)油水混合物，甚至于表面活性劑穩(wěn)定的水包油型和油包水型乳狀液的高效分離。通過引入熱力學(xué)的潤濕模型，證明了具有液下雙疏液性的表面是熱力學(xué)介穩(wěn)的，而具有另外兩種液下浸潤性的表面是熱力學(xué)穩(wěn)定的。該工作以平滑表面上水的本征接觸角（θ_w）為變量，有效地對上述三種液下浸潤性進(jìn)行分類，并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)任意未知表面的θ_w和粗糙度（R），可以預(yù)測其在特定油-水-固體系中的液下浸潤性。相關(guān)成果于近日發(fā)表在Chemical Science上。碩士研究生王琪菲為論文第一作者，邸建城副教授和于吉紅教授為論文共同通訊作者。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 表面涂覆薄膜的PAN納米纖維膜（TFPNMs）的制備

(a) 涂覆不同端基薄膜的PAN納米纖維的合成路徑

(b) 表面端基為氰基的PAN纖維 (CTFPNs)的SEM圖

(c) CTFPNs的TEM圖

圖2.CTFPNM的潤濕行為

(a,b) 在空氣中，水和環(huán)己烷分別浸潤到CTFPNM中的過程

(c,d) CTFPNM的在環(huán)己烷中水接觸角（θ_w/o）和在水中環(huán)己烷接觸角（θ_o/w）

(e,f) 多種油水體系中的θ_w/o和θ_o/w

圖3. CTFPNM對表面活性劑穩(wěn)定的乳狀液的分離

(a) 水浸潤的CTFPNM對水包油型（環(huán)己烷/水）乳狀液中的分離

(b) 油浸潤的CTFPNM對油包水型（水/環(huán)己烷）乳狀液的分離

圖4. 不同端基TFPNMs的液下浸潤性

(a) 環(huán)己烷-水-固體系中，水的本征接觸角 (θ_w) 和TFPNMs的液下潤濕行為之間的關(guān)系

(b,c,d) 分別為具有水中疏油性/油中親水性、液下雙疏性、水中親油性/油中疏水性表面的示意圖

(e) 熱力學(xué)潤濕模型1的示意圖

【小結(jié)】

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)調(diào)控聚丙烯腈（PAN）納米纖維膜的表面化學(xué)組成，成功地制備了具有不同液下浸潤性的膜材料（TFPNMs）。其中，氰基為端基的纖維膜（CTFPNM）具有機(jī)械強(qiáng)度高，在有機(jī)溶劑中穩(wěn)定性高，以及液下超雙疏等特性，可以實(shí)現(xiàn)對任意不互溶的油水混合物，甚至對于表面活性劑穩(wěn)定的乳液的高效分離。他們證明了具有雙疏液性的表面為熱力學(xué)介穩(wěn)態(tài)，同時預(yù)測并且證實(shí)了在已知的油-水-固體系中，具有雙重疏液性表面的水本征接觸角（θ_w）所在的特定范圍。這項(xiàng)工作揭示了材料表面的液下潤濕行為的熱力學(xué)本質(zhì)，從θ_w的角度提出了制備表面具有雙疏液性的材料的設(shè)計(jì)原則。這種材料在諸如相轉(zhuǎn)移催化、微流體器件等的很多領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Under-liquid dual superlyophobic nanofibrous polymer membranes achieved by coating thin-film composites: a design principle（Chem. Sci. ,2019,DOI:10.1039/C9SC01607D）

【團(tuán)隊(duì)介紹】

于吉紅院士研究團(tuán)隊(duì)依托于吉林大學(xué)無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。近五年來，課題組在分子篩多孔功能材料的設(shè)計(jì)合成及其在催化、分離及主客體組裝等方面的應(yīng)用開展了系列原創(chuàng)性研究，研究成果發(fā)表在Science、Chem、Sci. Adv.、Nat.Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等期刊上，相關(guān)成果獲國家自然科學(xué)二等獎1項(xiàng)。課題組近五年主持國家973項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目/創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目/重大國際合作項(xiàng)目及“111”引智計(jì)劃等國家重要科研項(xiàng)目。課題組與許多國外一流大學(xué)及著名研究機(jī)構(gòu)建立了廣泛的交流與合作。