研究背景
具有不對稱浸潤性的Janus膜能夠實現液體的定向傳輸，即液體可以從疏液側傳遞至親液側，但無法反向流動，這一特性使其在質能傳遞領域具有較強的應用潛力。理解Janus膜內液體定向傳輸機制對于Janus膜設計與優化至關重要。然而現有理論對此仍無定論。例如，有研究認為定向傳遞的驅動力為親液層的毛細管力，但該理論未能說明液體如何突破疏液層以及疏液層的臨界厚度；也有研究認為液滴產生靜水壓力驅動液體突破疏液層，但在逆重力條件下傳遞仍可以發生。此外，Janus膜后續傳遞過程對于其實際應用更為重要，然而關于這一過程的定量描述鮮有研究。
文章概述
浙江大學高分子科學與工程學系徐志康、楊皓程課題組提出“三階段”模型定量描述Janus膜內液體定向傳遞過程。該模型指出，液體在Janus膜內的定向傳遞分為液體擊穿、毛細浸潤、液體傳輸三個階段。根據結構差異，Janus膜可分為雙層和梯度兩種結構。第一階段，二者對應的液體擊穿機理分別為直接接觸機理與表面能驅動機理；第二階段，液體在親液層孔內毛細管力為主導的驅動下實現快速的浸潤；第三階段，當親液側被液體浸潤完全時，毛細拉力消失，液滴凸液面形成的Laplace壓力成為后續傳遞的主導驅動力。同時，該研究也揭示了Janus結構參數對傳遞過程的影響，減小疏水層厚度、增加孔徑均有助于加快傳遞過程。這項研究為指導Janus結構設計提供了重要的理論依據。
圖文導讀
圖1：Janus膜內液體定向傳遞的三階段模型—液體擊穿、毛細浸潤、液體傳輸。
液體在雙層結構Janus膜的疏水孔道內滲透會表現出一定的滲透深度，當滲透深度大于疏水層厚度時，液體才會接觸到親水層并發生定向傳遞，臨界疏水層厚度則受浸潤性、孔徑等因素影響。
圖2：液體擊穿雙層結構Janus膜的機制。a) 液體擊穿的臨界條件；b) 液體擊穿的理論臨界疏水層厚度以及文獻報道數據；c) 理論臨界疏水層厚度隨疏水表面接觸角的變化結果。
液體在浸潤性梯度結構Janus膜的定向傳遞是依靠表面能梯度驅動的，固-液-氣三相線傾向于沿表面能梯度由低向高運動，而疏水孔道內凸液面的Laplace壓傾則形成的阻力。在相同情況下，梯度斜率越大，傳遞越迅速。
圖3：梯度結構Janus膜中的液體擊穿機制。a) 具有梯度潤濕性的直孔中的液體運動和三相線位置；b)給定潤濕性梯度下液體隨時間的滲透深度和速度；c)不同潤濕性梯度下的液體傳遞時間。
毛細浸潤階段，親水孔內的毛細管力和液滴形成的附加壓力（即Laplace壓力）均會驅動其向膜內傳遞，由于兩者量級大小存在明顯差異，因此在此階段，液體主要依靠毛細管力的驅動下浸潤親水孔道；當親水層被液體完全浸潤時，液體傳輸僅依靠液滴的Laplace壓力驅動。
圖4：Janus膜中毛細浸潤和液體傳輸階段。a) 毛細浸潤階段示意圖；b) 毛細浸潤階段的水接觸角和流速變化情況；c) 毛細浸潤和液體傳輸階段的過膜傳遞時間和驅動力；d) 液體傳輸階段示意圖；e) 液體傳輸階段的水接觸角和流速變化情況；f) 液體傳輸階段的Laplace壓變化。
在連續傳遞過程中，Janus結構參數對液體的定向傳遞速率有著很大的影響。疏水層越厚，液體的傳遞速率越小；孔徑越小，液體的傳遞速率越小。
圖5：結構參數對液體傳輸流速的影響。a)疏水層厚度對滲透時間和流速的影響；b)孔徑對滲透時間和流速的影響；c)Hagen-Poiseuille方程擬合的流速與孔徑關系。
期刊簡介
Wiley旗下的Small Structures創立于2020年。作為Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成為發表關于亞宏觀尺度結構研究的多學科、跨領域、頂尖旗艦期刊。稿件領域包括但不限于化學、物理、材料、工程和生命科學，類型包括原創研究、綜述、展望、評論等。期刊最新引文指標為1.41，最新影響因子為13.9（2023）。
