定向液体传输（DLT）是一项创新性技术，它利用多孔材料固有的不对称性，实现液滴在材料系统内的单向、被动且无能耗传输。该技术在多个领域至关重要，包括环境科学、生物医学应用和功能纺织品，广泛应用于油水分离 、药物控释和先进水分管理等场景。这些不对称材料通常设计为微米或纳米尺度，具有独特的润湿性和表面形貌，能高效引导液体向特定方向流动。

值得注意的是，Janus 纤维膜作为一种新型材料，其两侧具有相反的性能，因此可实现单向液体传输。近年来，静电纺丝技术因其能制备具有定制化润湿性、高比表面积及微纳尺度孔结构的多孔 Janus 膜，在科研界备受关注。这类静电纺膜通常设计为双层或三层复合结构，主要通过沿膜厚度方向堆叠亲水和疏水纤维膜，或采用后处理技术，构建亲水 - 疏水梯度。这些设计在提升液体传输效率和梯度调控方面均展现出显著成效。尽管孔结构设计已取得进展，但相关研究主要集中在通过调节纤维直径优化孔径梯度，而纤维结构设计对孔道优化的影响尚未得到深入研究。

基于此，受植物叶片结构特征（具体为叶片内部的孔梯度和液体传输通道）启发，江南大学马丕波教授、贺海军副教授与新加坡国立大学Seeram Ramakrishna院士合作，开发了一种突破性的 Janus 纳米纤维结构。引入了由三维螺旋纳米纤维膜构成的创新性中间缓冲层，以提高孔隙率和水平互联性；通过多巴胺调控机制，协同优化了该层的孔结构和润湿性。所制备的 Janus 膜表现出优异的单向传输指数（1250%）、高油水分离效率（98.92%）和超高通量。其与纺织品的复合展现出优异的水分和热管理性能，证实了其在油水分离、工业废水处理及高性能功能服装等领域的多功能应用潜力。相关研究成果以“Biomimetic Janus membrane with spongy channels for directional liquid transport”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。

图 1 | PHT Janus 膜的结构设计、形貌及液体定向传输性能。a 植物叶片内部的孔隙率梯度和液体传输通道，通过上下表皮、栅栏组织与海绵层之间的复杂孔结构，实现水分传输与蒸汽扩散。这种多层孔结构既支撑水分的纵向传输（从根部到叶片），又能通过横向孔隙实现水平分布，保障植物在干旱环境中的水分平衡。b PHT Janus 膜的仿生结构示意图：利用纵向通道与水平互联孔网络构建高效液体定向传输路径，其中水平互联孔网络由螺旋纳米纤维构成缓冲吸收层。c 螺旋纳米纤维（HNF）膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。d PHT Janus 膜的整体横截面图。e PAN 亲水层的放大横截面图与 TPU 疏水层的横截面图。f 采用静电纺丝技术制备的 PHT-X Janus 纤维膜实物图。g、h 两种液体传输模式下，将水滴置于 PHT-1 Janus 纤维膜上表面时，膜上下表面的含水量变化：g 疏水→亲水模式；h 亲水→疏水模式，插图为水分分布图（蓝色表示湿润区域，白色表示干燥区域）。i 水滴在膜疏水侧与亲水侧的扩散行为：水滴置于疏水侧时，可渗透穿过纤维膜并在亲水侧扩散；而置于亲水侧时，仅在表面扩散，疏水侧始终保持干燥。

螺旋纳米纤维（HNFs）及仿生 PHT Janus 纤维膜的设计

植物叶片在蒸腾过程中，通过上下表皮、栅栏组织和海绵层之间的复杂孔结构，形成高效的水分传输和蒸汽扩散通道（图 1a）。这种多级孔结构支持水分的纵向传输（从根部到叶片），并通过横向孔隙实现水分的水平分布，确保植物在干旱条件下的水分平衡。

受这一自然现象启发，本研究设计了一种创新的 Janus 纳米纤维膜，通过利用孔梯度和液体传输通道，模拟植物叶片的蒸腾机制。这种三层结构仿生了叶片的上表皮、栅栏组织/海绵层和下表皮，通过互联的纵向和横向孔隙网络，形成高效的定向液体传输路径（图 1b）。利用两种聚合物之间的弹性差异，将横向互联网络孔隙开发为具有三维互联网络的螺旋纳米纤维膜（HNF 膜）。

为了优化螺旋结构，引入了亲水性 PDA 来调节 TPU-CA 界面动力学。随后，将亲水 - 水下疏油的 PAN 纳米纤维和疏水 - 水下亲油的 TPU 纳米纤维静电纺丝到 HNF 基底的相对表面，得到了仿生 PHT Janus 纤维膜。如图 1d 所示，三层纤维膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示，三层在界面区域紧密结合，各对应层之间具有良好的物理粘合，每一层都针对特定功能进行了定制。三层纤维结构（上下表面结构如图 1e 所示）形成了孔梯度。该膜利用润湿性和孔径梯度，高效地将水分从疏水层泵送到亲水层，然后通过毛细作用持续向上推进。图 1g、h 通过水分管理测试仪（MMT）测试显示了良好的定向水分传输性能：水分从疏水侧传输到亲水侧，同时防止反渗透。

图 2 | HNF-X 膜的制备机制、形貌、成分及润湿性a 有无 PDA 分子存在时，CA 与 TPU 链的结合示意图。b-d HNF-X 膜的扫描电子显微镜（SEM）图像：b HNF-0；c HNF-2；d HNF-4。e 侧 - 侧静电纺丝制备 HNF-X 的双层条带模型：（e-i）未添加 PDA 时，纤维呈弯曲/螺旋结构；（e-ii）添加适量 PDA 后，形成更多螺旋结构；（e-iii）PDA 过量时，纤维呈弯曲/直线结构。f 螺旋曲率 K 和节距 H 随 PDA 含量变化的曲线，误差棒代表独立测量的标准差。g 傅里叶变换红外光谱（FTIR）图。h 接触角测试结果。

图 3 | PHT-X Janus 复合纤维膜的表征a PHT-X Janus 纤维膜的示意图。b PHT Janus 膜的水分上升通道、传输路径及梯度孔径，可产生更强的毛细管力，实现自发向上吸水。c 各 PHT-X 纤维膜的接触角及润湿时间变化。d PHT-X Janus 纤维膜与对照 PAN/TPU 纤维膜两侧的各向异性水突破压力，（d）中误差棒代表标准偏差，n=3 个独立样品。e 当水滴置于 PHT-2 样品的疏水侧（TPU 侧，疏水→亲水模式）时，样品上下表面的相对含水量变化。f 当水滴置于样品疏水侧（TPU 侧，疏水→亲水模式）时，PHT-X Janus 纤维膜与对照 PAN/TPU 膜上下表面的水分分布图像。

作者进行了水分渗透测试，以评估 PHT 膜水分传输效率的提升。该膜利用润湿性和孔径梯度，高效地将水分从疏水层泵送到亲水层。值得注意的是，将 HFN 膜作为缓冲吸收层，有助于水分吸收并渗透到其水平互联的孔隙中，克服了直纳米纤维纵向通道可能遇到的重力阻力。值得注意的是，PAN 膜迅速吸收水滴，在 2.3 s 内将 WCA 从 60.5° 降至 0°；相反，HNF-X 膜的吸收速率随着 PDA 含量的增加而加快，铺展时间从 12.5 s 缩短至 3.4 s，但仍慢于 PAN；TPU₂膜保持疏水性，WCA 为 132°。这些结果证实，成功制备了具有梯度润湿性和孔结构的 PHT-X Janus 纤维膜。

图 4 | PHT-X Janus 纤维膜的定向液体传输（DLT）机制a 水滴置于疏水层时，渗透穿过 PHT-2 膜的过程；b 亲水 PAN 层上的水滴在层内扩散的行为；c PHT-2 膜的抗重力水分传输：在疏水→亲水模式下，水分从底部的疏水层向上传输至顶部的亲水层。

图 5 | PHT-X Janus 纤维膜的油水分离性能。a PHT-X Janus 纤维膜亲水侧的水下油接触角。b PHT-2 膜亲水侧在油相中的集水行为。c PHT-2 膜疏水侧在油相中的拒水行为。d 油水分离装置示意图。e PHT-X Janus 纤维膜的分离效率与通量。f PHT-2 Janus 纤维膜在不同分离循环次数下的分离效率与通量。g PHT-X 膜与文献报道的织物/纤维膜的分离性能对比：在相近的高分离效率下，PHT-X 膜展现出更高的处理量。

图 6 | 基于 PHT-2 复合织物的先进吸湿排汗降温功能服装的热湿管理性能。a PHT-2 与织物复合后的服装应用示意图。b PHT-2 与 KF（针织面料）复合制成的吸湿排汗功能服装的水分管理性能演示。c 经 MMT（水分管理测试仪）测试评估的 KF、WF（机织面料）、DLT-KF（定向液体传输针织面料）与 PHT-2 复合后的水分管理性能，并分别与三种原始织物对比。d PHT-2 与不同类型 KF 复合后的透湿性，并与原始织物对比。e PHT-2 与不同类型 KF 复合后的透气性。f 三种原始织物及与 PHT-2 复合后的织物覆盖在湿润皮肤上的红外热成像图。g 与文献报道的具有热调节性能的织物及纤维膜相比，复合 PHT-2 膜的织物展现出更优的降温效果。

结论：

综上所述，该研究提出了一种突破性方法，通过聚多巴胺（PDA）添加剂驱动的物理改性调控静电纺纳米纤维的螺旋结构。该方法能增强醋酸纤维素（CA）与热塑性聚氨酯（TPU）之间的氢键作用，在 PDA 含量为 2% 时，可制备出具有最佳曲率和孔隙率的优异螺旋纳米纤维（HNFs）。此外，该研究还受植物叶片蒸腾过程中的结构特征启发，开发了一种新型定向液体传输（DLT）Janus 纳米纤维膜，通过整合纵向通道与水平网络，实现了卓越的水分传输效率。

基于默里定律和不对称润湿性，这种仿生设计结合了水平互联结构与垂直传输通道，在增强负压驱动蒸腾作用的同时，降低了重力阻力。动态水接触角（WCA）和水分管理测试验证了其优异的水分传输性能：螺旋 HNF 膜的互联通道提升了孔隙率，加速了液体从 TPU 疏水层向聚丙烯腈（PAN）亲水层的单向传输，实现了 1250% 的超高单向传输指数（R 值）—— 较直孔膜提升 2.4 倍，能够营造干燥舒适的微环境。此外，PHT-2 Janus 膜凭借其独特的水下油润湿性，预润湿后展现出 98.92±0.18% 的高油水分离效率和 13860.77±330.04 L・m⁻²・h⁻¹ 的通量，凸显了其多功能应用潜力。

值得强调的是，这种仿生 DLT Janus 纤维膜设计具有良好的通用性，可与纺织面料无缝复合，显著提升面料的湿度管理和热管理性能。该 Janus 纤维膜在工业废水处理、海洋溢油清理以及高性能功能服装领域具有巨大应用前景。本研究为下一代 DLT Janus 纤维膜的创新设计与开发奠定了基础，有望开启材料科学的新篇章。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64964-0