中南大學ACS Applied Materials & Interfaces：飛秒激光加工Janus多孔膜用于水滴定向運輸與霧水收集

【引言】

水是生命之源，但由于近百年來世界人口的急劇增長、工業用水量的劇增和環境污染的加劇，使得世界各地呈現出不同程度的水資源危機。尤其在內陸與沙漠地區，水資源的短缺已嚴重影響到了人類的基本生存。最新研究表明大氣中的水含量達到了地球上淡水資源總量的10%左右，因而發展一種有效的霧水收集材料并獲取空氣中的水份是解決水資源危機的有效途徑之一。而目前制備霧水收集材料所遇到的難題是大面積制備效率低；制造過程繁瑣；霧水收集效率低等，因此設計與發展一種新方法用于制備高效率霧水收集材料具有重要的意義。

【成果簡介】

近日，中南大學青年教師銀愷博士（第一作者），段吉安教授和何軍教授（共同通訊）聯合在ACS Applied Materials & Interfaces上發表一篇題為“Ultrafast Achievement of a Superhydrophilic/Hydrophobic Janus Foam by Femtosecond Laser Ablation for Directional Water Transport and Efficient Fog Harvesting”的文章。在該文中，研究人員通過飛秒激光直寫技術在泡沫銅上快速制備了大面積的微納結構，所制備的材料表現出Janus的浸潤特性（一面超親水，一面疏水），并具有水滴的定向通過能力。同時，該材料表現出較好的霧水收集能力。為干旱地區緩解水資源危機提供了了一種有效途徑。

【圖文導讀】

圖1 Janus膜的制備流程與表征

(a)飛秒激光加工示意圖；

(b)不同參數加工的Janus膜光學示意圖；

(c)不同加工參數的燒蝕厚度。

圖2 Janus膜微觀形貌表征與元素分析

(a)加工前泡沫銅的SEM圖像;

(b-d) 加工后泡沫銅在不同倍率下的SEM圖像；

(e-h ) 加工前后泡沫銅表面的EDS能譜和元素分布對比。

圖3 不同泡沫銅的水滴運輸特性

(a)原始泡沫銅表面單個和多個水滴的運動過程；

(b)超親水泡沫銅表面單個和多個水滴的運動過程；

(c)超親水/疏水Janus泡沫銅表面單個和多個水滴的運動過程；

(d)疏水/ 超親水Janus泡沫銅表面單個和多個水滴的運動過程。

圖4 霧水收集測試與性能研究

(a)霧水收集測試系統示意圖；

(b)不同泡沫銅的霧水收集性能；

(c)不同孔徑PPI的霧水收集性能；

(d)不同角度的霧水收集性能。

圖5 不同泡沫銅霧水收集的行為與機理解釋

(a)原始泡沫銅霧水收集的行為與機理；

(b)超親水泡沫銅霧水收集的行為與機理；

(c)疏水/ 超親水Janus泡沫銅霧水收集的行為與機理。

【小結】

該研究提出了一種在泡沫銅表面采用飛秒激光直寫掃描技術快速一步大面積加工微納結構的方法，所加工的Janus泡沫銅具有一面超親水一面疏水的特性，并具有水滴的定向通過與高效霧水收集的能力。該研究在干旱與內陸地區霧水收集方面具有潛在的應用價值。

文獻鏈接：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

近年來，銀愷博士與段吉安教授合作以飛秒激光為加工手段，在多種材料上制備了微納結構與圖案，實現了一系列的光學與超浸潤性能調控，并初步探索了其潛在的應用價值。發表的相關成果：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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