开发集非对称润湿性、透气防水、抗菌活性和能量收集能力于一体的多功能膜对于智能纺织品和医疗防护设备至关重要。商用防水透气膜（亲水无孔型 / 疏水微孔型）存在透湿性差、孔隙率低、耐用性不足等问题；现有纳米纤维膜难以同时实现润湿性不对称、摩擦电能量收集与抗菌功能的集成。因此，开发一种仿生 Janus 蜘蛛网纳米纤维膜，实现多功能协同，平衡性能与规模化生产需求。
近期，北京科技大学王宁教授、曹霞教授团队通过同步静电纺丝-静电喷涂聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF - HFP）和聚酰胺6（PA6）设计了一种具有蛛网状分层结构的仿生Janus纳米纤维膜。该设计实现了双尺度润湿性（疏水/亲水不对称），83.6%的孔隙率和机械耐久性（2000次弯曲后99%的结构完整性）。它实现了智能环境调节（在1 kW/m²太阳照射下的7.4℃热梯度），而电场增强设计比被动扩散加速了20%的水输送。它的摩擦电性能超过了现有的透气膜（177.5 V开路电压，0.63 W/m2功率密度，超过10,000个周期的稳定输出），实现了可编程人机交互的加密莫尔斯电码通信。该层次化结构对大肠杆菌（E. coli）的抑菌效果为99.92%，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑菌效果为100%，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌效果为95%。通过与卷对卷制造兼容的可扩展、低成本工艺，这种方法有望在下一代可穿戴医疗保健和保护系统中实现工业集成。相关研究内容以“Bioinspired Janus Spider‐Web Nanofibrous Membranes Integrating Triboelectric Energy Harvesting, Adaptive Thermo‐Moisture Regulation, and Bactericidal Activity for Multifunctional Wearables”为题目，发表在期刊《Advanced Materials》上。
图 1：a）二维聚合物纳米网制备示意图；b）二维聚合物纳米网作为防水透气器件的工作原理示意图；c）泰勒锥顶端的射流喷射与液滴喷射示意图；d）基于带电液滴相分离的纳米网纺丝液滴在电场静电喷射过程中的受力机制及其变形过程示意图；e）二维纳米网的自组装过程示意图。
蜘蛛网膜的形成机制
在静电纺丝过程中，泰勒锥顶端会同时产生液滴和射流，这与传统静电纺丝不同 —— 传统静电纺丝通常仅发射连续射流。随后，被喷射出的液滴在飞行过程中会发生膨胀、溶剂蒸发及相分离，最终形成二维聚合物纳米网。这些纳米网会与静电纺纳米纤维一同随机沉积在收集器上，如图 1a 所示。图 1b 展示了所制备的 Janus 膜在可穿戴导汗纺织品中的应用原理。该膜由疏水的聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米网层和亲水的聚酰胺 6（PA6）纤维层构成，能够实现汗液从皮肤到外部环境的单向传输。同时，它兼具优异的透气性和防水性，可确保穿戴者在体力活动期间的舒适性和干爽性。
图 2：a）不同浓度 TBAPF 溶液喷雾形成的带电流体的电荷密度；b）液滴形成的理论临界阈值与 TBAPF 溶液实际测得电荷密度的差值；c）PA6、PVDF-HFP 及 Janus 膜的 BET 比表面积与孔径柱状图；d）PVDF-HFP 蛛网状膜；e）PA6 蛛网状膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；f）Janus 蜘蛛网结构织物的横截面图；PVDF-HFP 粉末、PVDF-HFP 膜及 PVDF-HFP 纳米网膜的组分分析：g）X 射线衍射（XRD）图谱；h）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）图谱；i）X 射线光电子能谱（XPS）图谱。
图 3 P-ZIF-8 膜、PA6-Ag 膜及 Janus 膜的机械拉伸测试：a）应力 - 应变曲线；b）断裂强度与断裂伸长率对比图；c）Janus 膜机械稳健性及耐久性的实物照片；PA6 网膜、PVDF-HFP 膜、PVDF-HFP 网膜及 Janus 膜的热稳定性测试：d）热处理实物照片；e）热重分析（TGA）曲线；f）差示扫描量热（DSC）曲线；Janus 膜的红外图像：g）无光照条件下；h）模拟太阳光（1 kW/m²）照射下；i）PVDF-HFP 纳米网膜与 PA6 纳米网膜的润湿性变化；j）PVDF-HFP 膜、P-ZIF-8 膜及 P-ZIF-8 网膜的润湿性；k）PA6 膜、PA6-Ag 膜及 PA6 网膜在 0~6 s 内的动态接触角图像；l）Janus 膜的防水机制示意图。
图 4：a）P-ZIF-8 膜、PA6 膜、PA6-Ag 膜及 Janus 膜的吸水率；b）上述四种膜的导湿高度 - 时间曲线；c）Janus 膜与商用织物的水蒸发速率对比；d）不同织物覆盖下皮肤表面液态水的红外图像；e）电场与无电场条件下 Janus 膜两侧的透湿性；f）Janus 膜（有 / 无电场）、PA6-Ag 膜、PA6 膜及 P-ZIF-8 膜的水蒸发速率；g)不同方向外加电场作用下纯水和NaCl溶液的蒸发动力学，揭示界面蒸发的离子迁移规律；h)不同平行电场强度（E∥= 0.00-0.04 V Å−1）下NaCl溶液蒸发速率的动态演化，电场强度与蒸发动力学呈非线性关系；i) NaCl溶液作用下体系结构的时空演化；j) Janus膜组分协同作用导致的毛细血管-极化耦合机制示意图。
图5：a、b）摩擦电纳米发电机（W-TENG）在接触状态与分离状态下的有限元模拟；c）不同纤维膜（PVDF-HFP 膜、P-ZIF-8 膜、P-ZIF-8 网膜）制备的 TENG 的开路电压（Voc）；d）不同 TBAPF 浓度下的开路电压（Voc）；不同频率（0.5–2.5 Hz）下 W-TENG 的输出性能：e）开路电压（Voc）；f）短路电流（Isc）；g）短路转移电荷（Qsc）；h）不同施加力（1–10 N）下的开路电压（Voc）；i）不同温度下的开路电压；j）W-TENG 在不同温度下运行的实物照片；k）输出电压与电流随负载电阻的变化曲线；l）功率密度随负载电阻的变化曲线；m）开路电压（Voc）随循环次数的变化曲线；n）典型 W-TENG 器件的实物照片；o）W-TENG 对不同电容的充电曲线；p）W-TENG 的电路示意图。
图 6：a）基于摩擦电纳米发电机（W-TENG）的自供电传感器工作机制；b）莫尔斯码（Morse code）编码示意图；c–f）基于 W-TENG 的自供电传感器用于莫尔斯码传输的演示；无电刺激（−TENG）和有电刺激（+TENG）条件下，P-ZIF-8 膜、PA6-Ag 膜及 Janus 膜电极的抗菌性能测试：g）大肠杆菌（E. coli）；h）金黄色葡萄球菌（S. aureus）；i）耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）；j）W-TENG 抗菌系统结构示意图；k）、l）、m）分别为上述三种菌株对应的抗菌率；n）其抗菌机制示意图。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202516022
