Science Advance 澳大利亚纳米技术研究所与城大共同研制类含羞草的定向自组织机制膜层

【引言】

澳大利亚纳米技术研究所与香港城市大学共同研究出了一种定向自组织的柔性双面膜层，该双面膜层通过数厘米长的快速自组装来响应微小的水刺激，让人想起含羞草的小叶折叠现象。这种能够搭载微流体的复合双面膜层，在生物传感器和水净化应用方面将有着巨大的潜力。

【简介】

该研究中，他们设计了一种有着优越的化学和力学性能的Janus双面膜层架构（注：Janus是罗马神话里的双面神，这里指的是膜层的双面有着不同润湿性），使表面能有效转变成定向动能和弹性势能。膜层能够沿着预定的通道快速传播折叠刺激，而形成三维几何图形。Janus双面膜层的导流速度要高出普通毛细现象两个数量级，能够达到8 cm / s，并有着4.7 ml/s的流量率。利用该种自组织机制可制出长度超过10cm的可弯折或可分裂的管道。

【图注】

图一 超亲水-超疏水Janus双面膜层的制备和表征

图1A  Janus双面膜层组装示意图说明：用连续静电纺丝法在纸上制作保护性PVP，然后依次涂覆超亲水的PCL、超疏水的PVC纳米纤维层。再以PVC为接触面，通过范德瓦尔斯力的交互作用粘接到附有PS纳米纤维层的柔性的PDMS基板上。最后，剥落保护性PVP层和纸张，以及附PS纳米纤维层的柔性的PDMS基板，得到一面超亲水一面超疏水的双面膜层。

图1B 是Janus双面膜的宏观照片以及其粘着力和拉伸性能照片，图中显示附着在PS上的Janus双面膜层很容易被剥落，且PCL和PVC双面膜层结构的弹性优良。

图1C 显示的是PVC纤维膜层表面SEM图，右上角插图为其表面润湿性（超疏水——接触角大于150°），右下角插图为高倍SEM（标尺1μm）

图1D 显示的是PCL表面SEM图，右上角插图为其表面润湿性（超亲水——接触角小于5°），右下角插图为高倍SEM（标尺1μm）

图1E 是多层堆栈式膜层以及Janus双面膜层红外光谱分析，经分析确认PCL（橙色线）和PVC（绿线）的存在，表明双面膜层的成功制备。

图1F 是进行动态力学分析结果，图为Janus双膜层的拉伸应力-应变曲线，该材料表现出类橡胶的弹性，杨氏模量(E)为4.85 MPa。

注：PVP 聚乙烯吡咯烷酮

PCL 聚已酸内酯

PVC 聚氯乙烯

PS    聚苯乙烯

PDMS 聚二甲基硅氧烷

图二 根据含羞草自折叠原理的定向自组织实例

图2A 图中表现的是矩形Janus双膜层的自发定向自组织响应。通过微小水滴的刺激，长约一厘米的微通道立即进行自组装，类似于B图中含羞草的折叠现象

图2B 此图是含羞草的快速定向刺激反应

图2C 表现的是该膜层自组织过程的全可逆性。将已折叠的Janus双面膜层浸没在乙醇中后，膜层会自动舒展开，表面性能恢复到初始状态。再次施加水刺激后，该膜又立即进行自组装折叠。

图2D 该图为红外光谱分析，显示的是Janus双膜层在折叠和展开循环后的表面成分变化。

图2E 自组装微通道的毛细管诱导型膜层展开示意图。当超亲水的PCL接触到水滴时，膜层立刻锁水形成通道；当外层疏水的PVC接触到低表面能的乙醇时，层膜铺开；PCL再次接触到水时再次发生自组织折叠。

图三 含羞草折叠自组装机制和理论分析

图3A 是Janus双面膜定向自组装封闭微通道的光学照片，图中表现的是从一端至另一端的自组织折叠流程图。

图3B 是自组织折叠的模拟图。以下为该过程的概要描述:最初, 在Janus双面膜层的一端快速折叠形成一个不透水泡状物。此后，液体前沿从泡状物慢慢推进到干燥的PCL表面（超亲水），然后带状Janus双面膜快速折叠形成一个截面中空的3D构型。总的来说，在Janus双层膜上发生了液滴前沿的横向推进和膜层的正交折叠，最终构成了类似于含羞草的自组织折叠现象。

图3C 为以特征接触角和表面粗糙度为条件，能够发生类含羞草折叠自组装现象所需的最小的条宽理论模型。 也就是说，有一定粗糙度和接触角的Janus双面膜层，在条带宽度达到一定值时才能够发生自组织折叠现象。

图四 微流体引发的含羞草定向自组织折叠现象的应用

图4A 表示的是不同条带宽度下，类含羞草折叠自组装时泡装物的液体前沿位移与时间的关系。 可以看出，条带宽度越窄则传输速率越快，宽度为2mm时达到最快。

图4B 解释的是最大位移和最大速率与条带宽度的关系。图中红色曲线为条带宽度倒数的拟合曲线，红色圆圈点为实测最大位移点，发现最大位移与条带宽度的倒数成正相关关系，即条带越窄则位移最大值越大；蓝色线为最大瞬时速率，其中条带宽度超过4mm时，最大瞬时速率开始下降；条带宽度超过3mm时的最大位移略有下降。

图4C 为从微水滴滴到Janus双层膜一端开始计算，水的瞬时速率与时间的关系，并与理想的圆形毛细管作对比。发现随着时间的延长，最大速率逐渐下降，但下降速率减缓。其中4 mm条带宽的初始瞬时速率最大，2 mm条带宽的平均最大速率最大。但最大速率均低于2 mm的理想圆形毛细管。

图4D到4G 表现的是利用功能化自组装成型的Janus双面膜层制备法，做出的典型模块化微射流设计，包括 (D)混合泡状物通道 (E)弯曲锥形通道 (F)T型接头通道 (G)U型通道。

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

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