西安交通大學(xué)伊春海教授團隊與香港城市大學(xué)Alicia Kyoungjin An教授團隊合作研發(fā)了一種具有仿生彈尾蟲表面凹腔微納結(jié)構(gòu)的超疏水疏油全疏膜，論文發(fā)表在Nature Communications期刊上面。本文的第一作者為西安交通大學(xué)郭佳鑫特聘研究員，第一單位為西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院。
圖1：圖像摘要：仿生彈尾蟲皮膚制備的具有凹腔微納表面結(jié)構(gòu)的全疏膜。隨著水資源短缺問題日益嚴(yán)重，開發(fā)新型海水淡化技術(shù)變得至關(guān)重要。膜蒸餾技術(shù)作為一種有潛力的方法，在處理高鹽度廢水方面具有優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)的膜蒸餾膜容易受到低表面張力污染物的影響，導(dǎo)致膜潤濕和鹽分透過率下降。為了克服這一瓶頸，本研究受彈尾蟲皮膚的啟發(fā)，采用靜電噴霧技術(shù)結(jié)合開發(fā)了一種具有納米凹腔結(jié)構(gòu)的全疏水膜，用于高效的海水淡化。 圖2 (a) PS1 (b) PS2 (c) PS3 (d) PS4 膜表面形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及其更高倍率下的SEM圖像分別展示于圖中（a - d）的插圖部分。（e）部分展示了基于表面能信息的膜水接觸角（CA）測量結(jié)果。（f） 部分呈現(xiàn)了在不同pH值條件下對膜進(jìn)行磨損試驗與穩(wěn)定性測試的結(jié)果（詳見附錄）。（g） 部分為仿生凹面PS珠包覆全疏膜制備工藝的示意圖。誤差條代表三次獨立測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 本研究采用靜電噴霧技術(shù)制備了具有凹腔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯（PS）納米顆粒，并將其涂覆在商業(yè)聚偏氟乙烯（PVDF）膜上。通過控制環(huán)境濕度和施加電壓，優(yōu)化了PS顆粒的形態(tài)，使其形成類似于彈尾蟲皮膚的凹腔結(jié)構(gòu)。隨后，采用低毒性短鏈全氟聚醚（PFPE）潤滑劑進(jìn)行浸涂，進(jìn)一步降低表面能，賦予膜全疏水性。本研究采用等離子體活化策略在基底膜表面引入羥基官能團，與潤滑劑中的羧基進(jìn)行脫水縮合反應(yīng)形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)涂層與基底膜之間界面結(jié)合強度的優(yōu)化。本研究的主要創(chuàng)新點在于采用電噴霧技術(shù)制備納米凹腔結(jié)構(gòu)，并利用低表面能潤滑劑賦予膜全疏水性。相比傳統(tǒng)的濕法/干法刻蝕和光刻技術(shù)，電噴霧技術(shù)更加簡單易行，且能夠精確控制納米結(jié)構(gòu)的形貌。納米凹腔結(jié)構(gòu)有效增加了膜的表面粗糙度，而低表面能潤滑劑則降低了表面能，兩者協(xié)同作用使膜具有優(yōu)異的全疏水性，能夠有效抵抗低表面張力液體的潤濕。實驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的PS4L2膜具有水接觸角171.1°、油接觸角139.6°和表面能12.39 mNm?1，孔隙率高達(dá)87.4%，在處理含有1.0mM十二烷基硫酸鈉的海水時，該膜保持了穩(wěn)定的99.9%鹽分截留率，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)膜，展現(xiàn)出優(yōu)異的膜蒸餾性能。 圖4（a）C-PVDF、PS4 和 PS4L2 膜的分子動力學(xué)（MD）性能分析。（b）分子動力學(xué)模擬后膜表面的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）圖像展示。（c）具有納米凹陷回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)膜的抗?jié)櫇裥阅茉硎疽鈭D。（d）基于流體流動和粒子追蹤模擬的納米結(jié)構(gòu)與進(jìn)料溶液相互作用機制研究。 最后，本研究開發(fā)的全疏水膜在海水淡化方面展現(xiàn)出巨大的潛力，為解決水資源短缺問題提供了新的思路。未來，本研究將進(jìn)一步優(yōu)化膜的性能，并探索其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。伊春海，教授，博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)，現(xiàn)任西安交通大學(xué)化工學(xué)院副院長，陜西省能源化工過程強化重點實驗室常務(wù)副主任；陜西省化工學(xué)會青年委員，主要從事膜分離技術(shù)及反應(yīng)強化等研究，作為項目負(fù)責(zé)人主持國家自然基金2項(面上、青年各1項)、科技支撐計劃子課題1項、重點研發(fā)計劃子課題1項以及中外企業(yè)合作項目等多項。發(fā)表論文50余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利5項。Alicia Kyoungjin An，教授，博士生導(dǎo)師，香港科技大學(xué)，現(xiàn)任化學(xué)與生物工程系教授。安教授于香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程系獲得博士學(xué)位，其學(xué)術(shù)生涯始于日本東京大學(xué)和香港城市大學(xué)，擔(dān)任項目助理教授，期間從助理教授晉升為正教授。至今，她在該領(lǐng)域已有20多年的深入研究，獲評香港研究資助局青年研究學(xué)者稱號，研究內(nèi)容涵蓋膜蒸餾、正向滲透、混合反滲透系統(tǒng)等新興技術(shù)，重點聚焦于新興污染物的去除及資源回收。 郭佳鑫，特聘研究員，博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)，入選國家級青年人才計劃，陜西省高層次青年人才計劃，三秦英才引進(jìn)計劃；秦創(chuàng)原引用高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計劃；西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃等；兼任中國海洋學(xué)會青年委員會委員，主要從事靜電紡絲膜、陶瓷納米纖維膜和超疏水疏油涂層等研究。Springtail-inspired omniphobic slippery membrane with nano-concave re-entrant structures for membrane distillation, Nature Communication 15 (2024) 1–13. JX. GUO, M. Jiang, X. Li, M.U. Farid, B.J. Deka, B. Zhang, J. Sun, Z. Wang, C. Yi, P.W. Wong, S. Jeong, B. Gu, A.K. An*.https://doi.org/10.1038/s41467-024-52108-9
