中南大学ACS Applied Materials & Interfaces：飞秒激光加工Janus多孔膜用于水滴定向运输与雾水收集

【引言】

水是生命之源，但由于近百年来世界人口的急剧增长、工业用水量的剧增和环境污染的加剧，使得世界各地呈现出不同程度的水资源危机。尤其在内陆与沙漠地区，水资源的短缺已严重影响到了人类的基本生存。最新研究表明大气中的水含量达到了地球上淡水资源总量的10%左右，因而发展一种有效的雾水收集材料并获取空气中的水份是解决水资源危机的有效途径之一。而目前制备雾水收集材料所遇到的难题是大面积制备效率低；制造过程繁琐；雾水收集效率低等，因此设计与发展一种新方法用于制备高效率雾水收集材料具有重要的意义。

【成果简介】

近日，中南大学青年教师银恺博士（第一作者），段吉安教授和何军教授（共同通讯）联合在ACS Applied Materials & Interfaces上发表一篇题为“Ultrafast Achievement of a Superhydrophilic/Hydrophobic Janus Foam by Femtosecond Laser Ablation for Directional Water Transport and Efficient Fog Harvesting”的文章。在该文中，研究人员通过飞秒激光直写技术在泡沫铜上快速制备了大面积的微纳结构，所制备的材料表现出Janus的浸润特性（一面超亲水，一面疏水），并具有水滴的定向通过能力。同时，该材料表现出较好的雾水收集能力。为干旱地区缓解水资源危机提供了了一种有效途径。

【图文导读】

图1 Janus膜的制备流程与表征

(a)飞秒激光加工示意图；

(b)不同参数加工的Janus膜光学示意图；

(c)不同加工参数的烧蚀厚度。

图2 Janus膜微观形貌表征与元素分析

(a)加工前泡沫铜的SEM图像;

(b-d) 加工后泡沫铜在不同倍率下的SEM图像；

(e-h ) 加工前后泡沫铜表面的EDS能谱和元素分布对比。

图3 不同泡沫铜的水滴运输特性

(a)原始泡沫铜表面单个和多个水滴的运动过程；

(b)超亲水泡沫铜表面单个和多个水滴的运动过程；

(c)超亲水/疏水Janus泡沫铜表面单个和多个水滴的运动过程；

(d)疏水/ 超亲水Janus泡沫铜表面单个和多个水滴的运动过程。

图4 雾水收集测试与性能研究

(a)雾水收集测试系统示意图；

(b)不同泡沫铜的雾水收集性能；

(c)不同孔径PPI的雾水收集性能；

(d)不同角度的雾水收集性能。

图5 不同泡沫铜雾水收集的行为与机理解释

(a)原始泡沫铜雾水收集的行为与机理；

(b)超亲水泡沫铜雾水收集的行为与机理；

(c)疏水/ 超亲水Janus泡沫铜雾水收集的行为与机理。

【小结】

该研究提出了一种在泡沫铜表面采用飞秒激光直写扫描技术快速一步大面积加工微纳结构的方法，所加工的Janus泡沫铜具有一面超亲水一面疏水的特性，并具有水滴的定向通过与高效雾水收集的能力。该研究在干旱与内陆地区雾水收集方面具有潜在的应用价值。

文献链接：Kai Yin, Shuai Yang, Xinran Dong, Dongkai Chu, Ji-An Duan,*, and Jun He*, Ultrafast Achievement of a Superhydrophilic/Hydrophobic Janus Foam by Femtosecond Laser Ablation for Directional Water Transport and Efficient Fog Harvesting, ACS Applied Materials & Interfaces, 2018.

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.8b11894

近年来，银恺博士与段吉安教授合作以飞秒激光为加工手段，在多种材料上制备了微纳结构与图案，实现了一系列的光学与超浸润性能调控，并初步探索了其潜在的应用价值。发表的相关成果：ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10.1021/acsami.8b11894; Nanoscale, 2017, 9, 14620-14626; Appl. Phys. Lett., 2018, 112, 243701; Nanoscale, 2017, 9, 14229-14235; Appl. Phys. Lett., 2017, 110, 121909; Appl. Phys. Lett., 2016, 108, 241601; Surf. Coat. Tech., 2018, 345, 53-60; Mater. Lett., 2018, 215, 272-275.

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