《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Large-pore Janus membrane for ultrafast unidirectional liquid transport
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本研究通过飞秒激光微加工技术制备了大孔不对称亲水/疏水Janus膜，实现了>20 μL/s的超快单向液体传输速率，45倍于传统Janus膜，并具有15次循环以上的高稳定性，有效解决了伤口渗出液和尿液快速引流等实际应用难题。
张伟杰|牛福洲|罗浩军|王恒|徐子轩|王赫|唐一辰|乔萍|徐冰
中国芜湖市芜湖职业技术学院电气工程与自动化学院，邮编241006
摘要
Janus膜因其广泛应用于多个领域而受到广泛关注。然而，其实际效用常常受到低正向液体传输速率（小于1 μL/s）的阻碍，这严重限制了它们在现实场景中的应用，例如婴儿尿液引流和糖尿病伤口渗出物管理。本文展示了一种具有大孔阵列的Janus膜，能够实现超快单向液体传输。具体而言，我们利用市售的疏水性棉织物通过飞秒激光微加工方法制备了这种Janus膜。制备的大孔Janus膜（LPJM）的孔径大于0.3 mm，表现出超过20 μL/s的超快液体传输速度，在正向传输4 μL水仅需0.2秒，比相同材料制成的传统Janus膜（CJM）快约45倍。LPJM在至少15次渗透循环后仍保持这种优异性能，显示出良好的重复使用性。此外，LPJM的大传输通道能够实现高达3000 μL/min的连续高流量液体传输，且液体残留量极少。这项工作为开发能够在苛刻现实场景中高效处理流体的高性能Janus膜提供了重要启发。
引言
定向液体传输是自然界中普遍存在的现象[1]、[2]。为了在复杂恶劣的环境中生存，许多动物和植物进化出了特殊的微/纳米结构和宏观形态，以高效从空气中收集水分[3]。例如，沙漠甲虫可以利用背部的微凸起结构主动收集并输送饮用水[4]、[5]；同样，仙人掌的刺也能利用表面的曲率梯度从潮湿空气中获取水分[6]、[7]。通过对生物表面定向液体动力学机制的深入研究，发现这些有趣的定向传输现象源于它们独特的不对称结构，从而为定向液体传输材料的合理设计提供了依据。
近年来，人们付出了大量努力来开发定向液体传输材料[8]、[9]、[10]、[11]，其中Janus膜是典型的代表[12]、[13]。具有不对称润湿性的Janus膜因其独特的定向传输特性而受到广泛关注[14]、[15]、[16]、[17]。具体来说，液体可以自发地从相对疏水的侧向传输到更亲水的侧，而在相反方向则被阻挡[18]、[19]。这一独特性质对于微流体操控具有重要意义，可以有效解决各种实际问题，如油水分离[20]、[21]、生物流体调节（例如汗液管理）[22]、[23]等。迄今为止，已经通过多种制备技术（如等离子体处理[24]、[25]、电纺[26]、[27]、[28]、光化学修饰[29]、[30]等）制备了许多Janus膜。例如，戴等人通过激光钻孔技术制备了一种具有锥形微孔阵列的Janus聚酯/硝化纤维素织物，用于定向汗液传输和保持体温[31]；丁团队利用电纺和静电喷涂技术制备了一种具有双梯度结构的水分吸收防护纤维膜（MWPFM）[32]。
尽管取得了显著进展，但目前关于Janus膜正向液体传输速率的研究尚未得到充分关注。大多数报道的膜显示出相对较慢的正向液体传输速度。例如，王等人报道的一种双面协同Janus膜传输5 μL水需要超过14.7秒（平均速度约为0.34 μL/s）[33]；李等人提出的一种三层复合织物传输3 μL水需要超过10秒（速度约为0.30 μL/s）[34]；我们团队使用热转移方法制备的Janus膜能够在7秒内完全传输4 μL水（速度约为0.57 μL/s）[35]。总体而言，对于大多数先前报道的Janus膜，约5 μL的水滴通常在10秒内从疏水侧渗透到亲水侧，导致正向液体传输速度始终低于1 μL/s。实际上，这样的低泵送速率不足以在特殊条件下清除人体产生的多余生物流体（如伤口渗出物、汗液和尿液），而这些流体的及时排出对人类健康和舒适至关重要。例如，伤口渗出物过多会严重影响愈合过程，还可能导致伤口感染和持续的炎症反应。在剧烈运动或特殊情况下（如消防），皮肤表面汗液过多可能导致闷热、中暑甚至某些疾病。同样，如果尿布不能快速吸收尿液，尿液可能会在皮肤表面停留较长时间，可能导致皮肤发红、溃疡甚至疼痛。显然，连续的液体泵送能力也是一个需要考虑的核心因素。因此，迫切需要开发一种具有稳定且超快定向液体传输能力的Janus膜，以快速、连续且有效地清除多余生物流体，从而平衡产生量和排出量。
事实上，合理增大孔径和修改材料的润湿性是提高定向液体传输能力的有效策略[3]。例如，受植物叶片结构特征的启发，匡等人引入了一种三维螺旋纳米纤维膜作为Janus膜的缓冲层，增强了孔隙率和水平连通性，从而实现了超高的液体通量（33 μL·s-1）[36]。张等人基于三维液体二极管（3DLD）结构设计了一种可穿戴的透湿电子设备，并通过构建空间异质润湿性实现了15 μL·s-1的通量[17]。肖等人制备了一种自泵送有机水凝胶敷料（SPD），其水凝胶通道排列整齐，由于不对称润湿性和排列整齐的水凝胶通道的协同作用，单向排水速率达到了41.67 μL·s-1[22]。尽管已经初步实现了超快定向液体传输，但复杂的制备过程限制了其高效的大规模生产。此外，大多数相关研究尚未系统研究孔径与液体传输速率之间的关联以及最佳孔径范围。
本文提出了一种具有大孔（直径超过0.1 mm）的Janus膜，能够实现超快定向液体传输。通过在对商用疏水性棉织物进行简单的飞秒激光扫描来创造Janus膜的润湿性，同时通过飞秒激光钻孔创建了微孔阵列。激光处理后，该织物能够使液体自发地从疏水层（未经处理的表面）泵送到亲水层（激光处理过的表面）。大孔作为液体传输通道，可以显著降低液滴的侵入压力，同时增强滴液传输过程中的毛细力和拉普拉斯压力（图1），从而显著加速侵入、润湿和传输过程。结果，优化后的LPJM的孔径为0.3 mm，其正向水传输速度比传统Janus膜（CJM）快约45倍（图1）。此外，我们还阐明了这种超快液体传输行为的物理机制。这项工作为下一代需要高通量水分管理的伤口敷料和功能性纺织品提供了有价值的设计范例。
LPJM的制备与表征
在本研究中，我们使用商用疏水性棉织物（由于“原始”棉纤维上的蜡质层[37]，原始棉织物具有疏水性）作为初始材料（图S1a，支持信息），并开发了一种激光加工方法来制备LPJM。图2a展示了激光制备的详细步骤。首先，通过简单的一步飞秒激光扫描策略制备了Janus织物。激光处理后
结论
总结来说，本文提出了一种具有超快单向液体传输的大孔Janus膜。LPJM具有超大尺寸的液体传输通道，可以降低侵入过程中的侵入压力，提高润湿和传输过程中的驱动力，从而实现超快单向液体传输。正向传输时间大大缩短，例如，单个4 μL的水滴仅需0.2秒即可完全传输
材料
疏水性棉织物购自中国第三纺织馆。本研究使用了一种米白色的未漂白纯棉织物作为实验基底。人工汗液（pH=4.70，25 ℃）来自广州惠威药业科技有限公司（中国广州）。血液样本来自苏州大学第二附属医院，所有程序均获得了该医院的伦理批准
未引用的参考文献
[45]、[46]、[47]、[48]
CRediT作者贡献声明
牛福洲：撰写 – 审稿与编辑，监督。张伟杰：撰写 – 原稿撰写，研究。罗浩军：撰写 – 审稿与编辑。徐子轩：撰写 – 审稿与编辑。王恒：撰写 – 审稿与编辑。徐冰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，研究，概念化。乔萍：撰写 – 审稿与编辑。唐一辰：撰写 – 审稿与编辑。王赫：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了芜湖职业技术学院科研启动基金项目（项目编号WZYRC202508）、国家自然科学基金（项目编号62473277）、江苏省重点研发计划（项目编号BE2023715）、江苏省优秀青年计划（项目编号BK20230072）、苏州市创新创业领军计划（项目编号ZXL2023209）、苏州市产业前瞻与关键技术（项目编号SYC2022044）以及江苏省青兰计划的支持
