仿生超浸润性材料在自清洁、防雾和防结冰等领域发挥着不可忽视的作用，人们为了构建高效的超浸润表面已经开发了多种方法，包括等离子处理法、逐层法和气相沉积法等等。近些年来由于其在油水分离、雾气集水和液滴输运等方面有着广泛的应用前景，研究人员更加关注Janus浸润性薄膜的构建。尽管取得了许多进展，但目前现有的Janus浸润性表面大多缺乏对环境刺激反应的可视化。在实际应用中，只报告单一刺激信号的薄膜会使其很难定位外部刺激信号的时间和强度。因此，能够实时、肉眼可见并且能够定性定量反应外界刺激响应性信号的Janus浸润性薄膜仍然是人们非常期待的。

图：结合刺激响应结构色薄膜与蜡烛烟尘涂层的优点，提出了受多生物启发的可浸润性机器装置的设计方案。

  最近，南京师范大学未来光电功能材料研究中心刘慈慧、狄云松、甘志星团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Bioinspired Tunable Structural Color Film with Janus Wettability and Interfacial Floatability towards Visible Water Quality Monitoring”的文章，他们从荷叶的自清洁特性和界面的稳定性以及斗鱼的变色机理出发，提出了一种新颖的由蜡烛烟灰和弹性（PU/P(NiPAAm-bis-AA)）聚合物制备的结构色薄膜，用于可视化水质监测。他们将制备的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上层引入蜡烛烟灰，由于PU/P(NiPAAm-bis-AA)层具有反蛋白石结构，使其具有明亮的结构色彩和超亲水性。此外反蛋白石支架上层附着的烟灰涂层，不仅增强了结构色彩，而且形成了超疏水表面。上下表面相异的超浸润性能使其具有优秀的气液界面稳定性，能够稳定的漂浮在水面。在复杂液体环境中独特的稳定性和结构颜色传感能力赋予该薄膜在面对外部的刺激时，不仅可以通过马兰戈尼效应诱导的定向迁移来应激响应环境变量的变化，而且还可以通过薄膜结构色变化来定量反馈外界的刺激信号。这些特征展示了该Janus浸润性薄膜作为未来公开水域智能水质监测机器人的潜力。

1. Janus浸润性薄膜的构筑及性能

  首先通过垂直沉积方法从二氧化硅纳米粒子的自组装中得到胶体晶体模板。然后通过复制模板，制备了PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石结构的薄膜，为了制备具有Janus浸润性的PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石薄膜，在制备的反蛋白石支架的上层附着蜡烛烟灰，使其上层具有超疏水性。由于下层具有有序的反蛋白石纳米结构，薄膜下层具有鲜艳的结构色，这是由光子带隙（PBG）特性决定的，在光子带隙中，同一频率的光被禁止传播和选择性反射。反蛋白石层表现出不同的结构色，是由于周围环境的变化导致折射率的变化导致的，使得Janus浸润性薄膜具有可视化信号响应性。

图1  Janus浸润性薄膜的构筑过程与结构。a）制造过程的示意图。b）所制备的光子晶体蛋白石结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。c）制备的光子晶体反蛋白石结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。d)光子晶体蛋白石结构和反蛋白石结构相应的反射光谱和光学图像。e)具有可调结构颜色的仿生Janus润湿性薄膜的反射光谱。

  利用上下表面相异的超浸润性能，Janus浸润性薄膜还具有优异的界面稳定性和抗旋转性能力，在实际应用中能够稳定的漂浮在界面上。在实验中即使薄膜被翻转过来，在水的运动下也能恢复和保持初始状态。

图2  Janus浸润性薄膜上下表面相异超浸润性和抗旋转能力。a)浮在水面上的薄膜的示意图。b)证明了漂浮在水面上的仿生Janus薄膜的超浸润性。c)仿生Janus浸润性薄膜在水的运动下保持其原始的形状，显示出良好的抗旋转能力。d)被翻转的仿生Janus浸润性薄膜，在水的运动下恢复了原来的状态。 

  在界面平衡试验中，探讨了三种样品与空气-水界面的相互作用，包括全面超疏水(ASHB)薄膜、全面超亲水(ASHL)薄膜和超疏水/超亲水(SHB/SHL)协同Janus浸润性薄膜。实验结果表明了Janus浸润性薄膜在相互作用力的协同效应下显示了独特的稳定性。

图3  展示了样品薄膜与空水界面之间的静止状态和光学图像。a）ASHB薄膜在按压界面时可产生空气陷阱，但当膜从水面上抽出时，液体桥并不明显。b） 相比之下，ASHL薄膜并没有产生一个空气陷阱，而是显示了一个液体桥。c） 对于仿生Janus浸润性薄膜，可以同时观察到了空气陷阱和液体桥。

  此外在复杂液体环境中，对Janus浸润性薄膜的稳定性进行了进一步探究。下图表明了Janus浸润性薄膜（上表面为超疏水层，下表面为超亲水层）在与不同极性的油水界面接触时，能够保持平坦和紧密地停留在界面上。体现了Janus浸润性薄膜在复杂的液体界面上良好的稳定性，为实际应用铺平了道路。

图4 通过运动捕捉所提出的样品薄膜与双液相系统之间的界面可浮性的方案和光学图像。双液相系统由正己烷/水、辛烷/水和庚烷/水组成。a)ASHB薄膜在三种双液相系统上扭曲。b)ASHL薄膜呈现倒碗状态。c)仿生Janus浸润性薄膜具有良好的稳定性。

2. 实际应用

  考虑到其上下表面相异的超浸润性能使其具有优秀的气液界面稳定性以及在复杂液体环境中独特的稳定性和结构色传感能力，仿生Janus浸润性薄膜有望在水质监测领域得到应用。为了证明这一点，本实验旨在模拟污染河流中的水质监测，探索仿生Janus浸润性薄膜的刺激响应能力。在模拟实验中，丙酮溶液用蠕动注射泵从T型端注入通道中，随着丙酮溶液的浓度变化时，Janus浸润性薄膜发生了由马兰戈尼效应诱导的定向位移变化以及薄膜的结构色由绿色过度到红色，即使在不同类型不同表面张力的液体刺激下也能显示出良好的稳定性，表现出优异的结构色传感能力。同时，实时记录了定向位移的变化量和结构色变化，随着浓度的变化，Janus薄膜的位移变化量和结构色有相对应的变化。此外在实验中还体现了薄膜良好的机械强度和化学耐久性，以上表明该薄膜在未来水质监测方面具有潜在的应用前景。

图5  Janus机器人薄膜的应用示意图。a)在T型水道中，图案化的仿生Janus浸润性薄膜在外部刺激下的运动。b)反射波长随丙酮浓度变化的光学图像和关系。c)图案化的仿生Janus浸润性薄膜在不同类型不同表面张力的液体刺激下的位移距离。

  综上所述，受天然生物的启发，作者在PU/P(NiPAAm-bis-AA)反蛋白石支架上层引入烟灰涂层，研制出一种新型Janus浸润性结构色薄膜。薄膜在复杂液体环境中具有独特的稳定性和结构颜色传感能力，使得该薄膜在面对外部的刺激时，不仅可以通过马兰戈尼效应诱导的定向迁移来应激响应环境变量的变化，而且还可以通过薄膜结构色变化来定量反馈外界的刺激信号。展示了该Janus浸润性薄膜作为未来公开水域智能水质监测机器人的潜力。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010406