Science Advance 澳大利亞納米技術研究所與城大共同研制類含羞草的定向自組織機制膜層

【引言】

澳大利亞納米技術研究所與香港城市大學共同研究出了一種定向自組織的柔性雙面膜層，該雙面膜層通過數厘米長的快速自組裝來響應微小的水刺激，讓人想起含羞草的小葉折疊現象。這種能夠搭載微流體的復合雙面膜層，在生物傳感器和水凈化應用方面將有著巨大的潛力。

【簡介】

該研究中，他們設計了一種有著優越的化學和力學性能的Janus雙面膜層架構（注：Janus是羅馬神話里的雙面神，這里指的是膜層的雙面有著不同潤濕性），使表面能有效轉變成定向動能和彈性勢能。膜層能夠沿著預定的通道快速傳播折疊刺激，而形成三維幾何圖形。Janus雙面膜層的導流速度要高出普通毛細現象兩個數量級，能夠達到8 cm / s，并有著4.7 ml/s的流量率。利用該種自組織機制可制出長度超過10cm的可彎折或可分裂的管道。

【圖注】

圖一 超親水-超疏水Janus雙面膜層的制備和表征

圖1A ?Janus雙面膜層組裝示意圖說明：用連續靜電紡絲法在紙上制作保護性PVP，然后依次涂覆超親水的PCL、超疏水的PVC納米纖維層。再以PVC為接觸面，通過范德瓦爾斯力的交互作用粘接到附有PS納米纖維層的柔性的PDMS基板上。最后，剝落保護性PVP層和紙張，以及附PS納米纖維層的柔性的PDMS基板，得到一面超親水一面超疏水的雙面膜層。

圖1B 是Janus雙面膜的宏觀照片以及其粘著力和拉伸性能照片，圖中顯示附著在PS上的Janus雙面膜層很容易被剝落，且PCL和PVC雙面膜層結構的彈性優良。

圖1C 顯示的是PVC纖維膜層表面SEM圖，右上角插圖為其表面潤濕性（超疏水——接觸角大于150°），右下角插圖為高倍SEM（標尺1μm）

圖1D 顯示的是PCL表面SEM圖，右上角插圖為其表面潤濕性（超親水——接觸角小于5°），右下角插圖為高倍SEM（標尺1μm）

圖1E 是多層堆棧式膜層以及Janus雙面膜層紅外光譜分析，經分析確認PCL（橙色線）和PVC（綠線）的存在，表明雙面膜層的成功制備。

圖1F 是進行動態力學分析結果，圖為Janus雙膜層的拉伸應力-應變曲線，該材料表現出類橡膠的彈性，楊氏模量(E)為4.85 MPa。

注：PVP 聚乙烯吡咯烷酮

PCL 聚已酸內酯

PVC 聚氯乙烯

PS? ? 聚苯乙烯

PDMS 聚二甲基硅氧烷

圖二 根據含羞草自折疊原理的定向自組織實例

圖2A 圖中表現的是矩形Janus雙膜層的自發定向自組織響應。通過微小水滴的刺激，長約一厘米的微通道立即進行自組裝，類似于B圖中含羞草的折疊現象

圖2B 此圖是含羞草的快速定向刺激反應

圖2C 表現的是該膜層自組織過程的全可逆性。將已折疊的Janus雙面膜層浸沒在乙醇中后，膜層會自動舒展開，表面性能恢復到初始狀態。再次施加水刺激后，該膜又立即進行自組裝折疊。

圖2D 該圖為紅外光譜分析，顯示的是Janus雙膜層在折疊和展開循環后的表面成分變化。

圖2E 自組裝微通道的毛細管誘導型膜層展開示意圖。當超親水的PCL接觸到水滴時，膜層立刻鎖水形成通道；當外層疏水的PVC接觸到低表面能的乙醇時，層膜鋪開；PCL再次接觸到水時再次發生自組織折疊。

圖三 含羞草折疊自組裝機制和理論分析

圖3A 是Janus雙面膜定向自組裝封閉微通道的光學照片，圖中表現的是從一端至另一端的自組織折疊流程圖。

圖3B 是自組織折疊的模擬圖。以下為該過程的概要描述:最初, 在Janus雙面膜層的一端快速折疊形成一個不透水泡狀物。此后，液體前沿從泡狀物慢慢推進到干燥的PCL表面（超親水），然后帶狀Janus雙面膜快速折疊形成一個截面中空的3D構型。總的來說，在Janus雙層膜上發生了液滴前沿的橫向推進和膜層的正交折疊，最終構成了類似于含羞草的自組織折疊現象。

圖3C 為以特征接觸角和表面粗糙度為條件，能夠發生類含羞草折疊自組裝現象所需的最小的條寬理論模型。 也就是說，有一定粗糙度和接觸角的Janus雙面膜層，在條帶寬度達到一定值時才能夠發生自組織折疊現象。

圖四 微流體引發的含羞草定向自組織折疊現象的應用

圖4A 表示的是不同條帶寬度下，類含羞草折疊自組裝時泡裝物的液體前沿位移與時間的關系。 可以看出，條帶寬度越窄則傳輸速率越快，寬度為2mm時達到最快。

圖4B 解釋的是最大位移和最大速率與條帶寬度的關系。圖中紅色曲線為條帶寬度倒數的擬合曲線，紅色圓圈點為實測最大位移點，發現最大位移與條帶寬度的倒數成正相關關系，即條帶越窄則位移最大值越大；藍色線為最大瞬時速率，其中條帶寬度超過4mm時，最大瞬時速率開始下降；條帶寬度超過3mm時的最大位移略有下降。

圖4C 為從微水滴滴到Janus雙層膜一端開始計算，水的瞬時速率與時間的關系，并與理想的圓形毛細管作對比。發現隨著時間的延長，最大速率逐漸下降，但下降速率減緩。其中4 mm條帶寬的初始瞬時速率最大，2 mm條帶寬的平均最大速率最大。但最大速率均低于2 mm的理想圓形毛細管。

圖4D到4G 表現的是利用功能化自組裝成型的Janus雙面膜層制備法，做出的典型模塊化微射流設計，包括 (D)混合泡狀物通道 (E)彎曲錐形通道 (F)T型接頭通道 (G)U型通道。

文獻鏈接：Mimosa Origami: A nanostructure-enabled directional self-organization regime of materials. (Science Advance, 2016, DOI:10.1126/sciadv.1600417)

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