界面化學(xué)控制的超潤濕膜因其與液體的獨(dú)特相互作用而成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的單潤濕性超潤濕膜已經(jīng)不能滿足實際應(yīng)用的復(fù)雜要求。因此，研究人員專注于智能響應(yīng)超潤濕膜，它可以很容易地響應(yīng)外部刺激，如溫度、電、濕度、氣體、pH值和光線。近年來在響應(yīng)型超潤濕膜方面的研究成功實現(xiàn)了從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的潤濕性轉(zhuǎn)變。然而，這樣的二元潤濕性轉(zhuǎn)變遭遇了“非黑即白”的困境，從而嚴(yán)重限制了它們的功能多樣性。因此，迫切需要一種集成的超潤濕材料，它可以打破“非黑即白”的轉(zhuǎn)變，并具有可以靈活應(yīng)用的多種功能。
近日，清華大學(xué)馮琳副教授、危巖教授團(tuán)隊在著名期刊《德國應(yīng)化》上介紹了一種具有SiO2?/十八烷基胺（ODA）涂層的圖案化多功能響應(yīng)型超潤濕膜。膜的涂覆部分在不同的pH值下顯示出超疏水性（pH=7）/超親水性（pH<2或pH>13）轉(zhuǎn)變，未涂覆的部分保持超親水性，從而使膜具有各向異性/各向同性的潤濕性轉(zhuǎn)變性質(zhì)。該膜既可以用作響應(yīng)型滲透膜，也可以用作信號表達(dá)，能以較好的分離效率（> 99.90％）和通量（~60 L/m2·h）實現(xiàn)液體的分離和滲透，以及實時可變信號的表達(dá)。
作者通過涂覆方法制備了具有可調(diào)圖案化的SiO2/ODA涂覆膜。利用不同形狀的前體模板來控制膜上的圖案。采用一步氫鍵自組裝策略，利用疏水氣相SiO2和ODA合成了SiO2/ODA涂層。其中SiO2為涂層提供了超低的比表面能（SSE）來疏水，而ODA含有豐富的氨基基團(tuán)，使涂層具有pH響應(yīng)性。pH<2時，質(zhì)子化的氨基改善了涂層的表面極性，使其具有超親水性。pH>13時，電子云密度高的羥基離子通過氫鍵與氨基結(jié)合，使涂層具有超親水性。pH=7時，氨基呈電中性，極性較低，涂層具有超疏水性。
膜的未涂覆部分在空氣中呈現(xiàn)~0°水接觸角(WCA)，在四種不同的有機(jī)液體(甲苯、正己烷、乙酸乙酯和柴油)下呈現(xiàn)>140°水下油接觸角(OCA)，表明其具有超親水/水下疏油特性。由于SiO2和ODA帶來的SSE較低，具有超疏水性的涂層在空氣中呈現(xiàn)0°OCA和147°WCA。水下OCA和油下WCA分別為18°和163°。當(dāng)pH值從11增加到13時，WCA急劇下降，從約122.9°下降到13.0°，說明該區(qū)域的親水羥基離子貢獻(xiàn)超過疏水烷基鏈貢獻(xiàn)。當(dāng)pH值從3降至1時，也出現(xiàn)了類似的下降，從134.3°降至15.4°，這確定了另一個臨界點(diǎn)的分布，其中質(zhì)子的貢獻(xiàn)超過了烷基鏈的貢獻(xiàn)。結(jié)合涂層和未涂覆部分的不同潤濕性，可以實現(xiàn)pH在各向異性和各向同性潤濕性之間的誘導(dǎo)響應(yīng)，為功能多樣性奠定了基礎(chǔ)。
pH=7時，各向異性膜可以作為非選擇性滲透膜。pH<2或pH>13時，各向同性膜可作為處理油水混合物的選擇性分離膜。對含正己烷、乙酸乙酯、甲苯和柴油的油水混合物來說，該膜可以實現(xiàn)99.95%以上的分離效率、濾液含油量低于200ppm。對于甲苯/水混合物，經(jīng)過10次的處理，效率仍在99.90%以上，濾液含油量低于250ppm。膜的可重用性較好，這可能是尼龍基材與ODA之間氫鍵作用的結(jié)果。低SSE液體的滲透通量為~60L/m2·h，每毫升液體滲透膜需要~50s。高SSE水的滲透通量明顯較高(~110L/m2·h)，相當(dāng)于每毫升水滲透30s。這是因為有些膜孔被SiO2/ODA所堵塞,從而減少有效孔隙半徑,這可能會進(jìn)一步影響滲透通量。滲透膜還表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性能，在20次交替使用后，通量幾乎保持不變。
各向異性/各向同性還賦予了膜良好的信號表達(dá)特性。膜處理導(dǎo)電液體后，涂覆部分保持不濕，未涂覆部分保持濕潤。將部分濕潤的膜連接到電源。當(dāng)連接到涂覆部分時電流為0，連接到未涂覆部分時電流為0.01 A。LED的“1”和“0”分別代表導(dǎo)電和不導(dǎo)電。處理非導(dǎo)電液體后，電流始終保持為0。因此，初步驗證了膜的信號表達(dá)特性，可用于導(dǎo)電/非導(dǎo)電液體的實時檢測。當(dāng)導(dǎo)線在未涂覆部分與涂覆部分之間移動時，電流在0.01 A與0之間切換。基于得到的扇區(qū)抽象模型，膜處理后的液體信號成功表示為二進(jìn)制序列。該膜能夠表達(dá)“1”和“0”信號的二進(jìn)制序列，表明該膜具有較高的表達(dá)效率。由于n位二進(jìn)制序列包含2n種不同的形式，這種表達(dá)方式可以大大提高表達(dá)效率。
該響應(yīng)型圖案化膜的制備策略首次將滲透和分離特性結(jié)合起來，通過超潤濕膜實現(xiàn)信號表達(dá)，為探索超潤濕材料在有限空間工作環(huán)境中的可調(diào)和多功能應(yīng)用提供了新的途徑。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202005030
