摘要：西安交通大学伊春海教授团队与香港城市大学Alicia Kyoungjin An教授团队合作研发了一种具有仿生弹尾虫表面凹腔微纳结构的超疏水疏油全疏膜，论文发表在Nature Communications期刊上面。本文的第一作者为西安交通大学郭佳鑫特聘研究员，第
西安交通大学伊春海教授团队与香港城市大学Alicia Kyoungjin An教授团队合作研发了一种具有仿生弹尾虫表面凹腔微纳结构的超疏水疏油全疏膜，论文发表在Nature Communications期刊上面。本文的第一作者为西安交通大学郭佳鑫特聘研究员，第一单位为西安交通大学化学工程与技术学院。
图1：图像摘要：仿生弹尾虫皮肤制备的具有凹腔微纳表面结构的全疏膜。
随着水资源短缺问题日益严重，开发新型海水淡化技术变得至关重要。膜蒸馏技术作为一种有潜力的方法，在处理高盐度废水方面具有优势。然而，传统的膜蒸馏膜容易受到低表面张力污染物的影响，导致膜润湿和盐分透过率下降。为了克服这一瓶颈，本研究受弹尾虫皮肤的启发，采用静电喷雾技术结合开发了一种具有纳米凹腔结构的全疏水膜，用于高效的海水淡化。
图2(a) PS1 (b) PS2 (c) PS3 (d) PS4 膜表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像及其更高倍率下的SEM图像分别展示于图中（a - d）的插图部分。（e）部分展示了基于表面能信息的膜水接触角（CA）测量结果。（f） 部分呈现了在不同pH值条件下对膜进行磨损试验与稳定性测试的结果（详见附录）。（g） 部分为仿生凹面PS珠包覆全疏膜制备工艺的示意图。误差条代表三次独立测量的标准偏差。
本研究采用静电喷雾技术制备了具有凹腔结构的聚苯乙烯（PS）纳米颗粒，并将其涂覆在商业聚偏氟乙烯（PVDF）膜上。通过控制环境湿度和施加电压，优化了PS颗粒的形态，使其形成类似于弹尾虫皮肤的凹腔结构。随后，采用低毒性短链全氟聚醚（PFPE）润滑剂进行浸涂，进一步降低表面能，赋予膜全疏水性。本研究采用等离子体活化策略在基底膜表面引入羟基官能团，与润滑剂中的羧基进行脱水缩合反应形成共价交联网络，实现涂层与基底膜之间界面结合强度的优化。
图3静电喷雾过程中形成球形和凹形PS珠的示意图。
本研究的主要创新点在于采用电喷雾技术制备纳米凹腔结构，并利用低表面能润滑剂赋予膜全疏水性。相比传统的湿法/干法刻蚀和光刻技术，电喷雾技术更加简单易行，且能够精确控制纳米结构的形貌。纳米凹腔结构有效增加了膜的表面粗糙度，而低表面能润滑剂则降低了表面能，两者协同作用使膜具有优异的全疏水性，能够有效抵抗低表面张力液体的润湿。实验数据表明，优化后的PS4L2膜具有水接触角171.1°、油接触角139.6°和表面能12.39 mNm−1，孔隙率高达87.4%，在处理含有1.0mM十二烷基硫酸钠的海水时，该膜保持了稳定的99.9%盐分截留率，显著优于传统膜，展现出优异的膜蒸馏性能。
图4（a）C-PVDF、PS4 和 PS4L2 膜的分子动力学（MD）性能分析。（b）分子动力学模拟后膜表面的光学相干断层扫描（OCT）图像展示。（c）具有纳米凹陷回转结构膜的抗润湿性能原理示意图。（d）基于流体流动和粒子追踪模拟的纳米结构与进料溶液相互作用机制研究。
最后，本研究开发的全疏水膜在海水淡化方面展现出巨大的潜力，为解决水资源短缺问题提供了新的思路。未来，我们将进一步优化膜的性能，并探索其在其他领域的应用，为可持续发展做出贡献。
作者简介：
伊春海，教授，博士生导师，西安交通大学，现任西安交通大学化工学院副院长，陕西省能源化工过程强化重点实验室常务副主任；陕西省化工学会青年委员，主要从事膜分离技术及反应强化等研究，作为项目负责人主持国家自然基金2项(面上、青年各1项)、科技支撑计划子课题1项、重点研发计划子课题1项以及中外企业合作项目等多项。发表论文50余篇，授权中国发明专利5项。
Alicia Kyoungjin An，教授，博士生导师，香港科技大学，现任化学与生物工程系教授。安教授于香港科技大学土木及环境工程系获得博士学位，其学术生涯始于日本东京大学和香港城市大学，担任项目助理教授，期间从助理教授晋升为正教授。至今，她在该领域已有20多年的深入研究，获评香港研究资助局青年研究学者称号，研究内容涵盖膜蒸馏、正向渗透、混合反渗透系统等新兴技术，重点聚焦于新兴污染物的去除及资源回收。
郭佳鑫，特聘研究员，博士生导师，西安交通大学，入选国家级青年人才计划，陕西省高层次青年人才计划，三秦英才引进计划；秦创原引用高层次创新创业人才计划；西安交通大学青年拔尖人才计划等；兼任中国海洋学会青年委员会委员，主要从事静电纺丝膜、陶瓷纳米纤维膜和超疏水疏油涂层等研究。
参考文献：
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*.
来源：高分子科学前沿
