摘要：植物叶片竟藏“输水密码”？仿生膜让油水分离、智能排汗一步到位
你有没有想过，每天看到的植物叶片，或许藏着解决工业难题和日常困扰的 “黑科技密码”？近日，发表在《Nature Communications》（2025, 16:10001）的一项研究，就从植物叶片的蒸腾结构中获得灵感，研发出一种具有海绵状通道的仿生 Janus 膜。这款膜不仅能高效实现油水分离，还能让衣物自动 “排汗降温”，为环保、穿戴等领域带来突破性解决方案。
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一、自然为师：植物叶片的 “高效输水系统”
提到植物叶片，我们大多想到光合作用，却忽略了它背后精密的液体运输逻辑。研究团队发现，植物叶片通过上下表皮、栅栏组织与海绵层的复杂孔隙结构，能同时完成两件 “难事”：一是借助蒸腾拉力实现根到叶的抗重力输水，二是通过横向孔隙完成水分的水平分布，确保干旱时植物的水分平衡。
正是这种 “纵向运输 + 横向扩散” 的自然智慧，成为仿生膜设计的核心灵感。团队以此为蓝本，打造出名为 “PHT Janus 膜” 的三层结构，完美复刻了植物叶片的输水优势 —— 纵向通道负责液体快速传输，横向互联网络则降低重力阻力，让液体运输效率实现质的飞跃。
二、核心设计：三层结构 + 螺旋纤维的 “双重突破”
这款仿生膜的 “黑科技”，藏在它精心设计的结构和材料里：
1. 三层功能分区：精准控制液体流向
PHT Janus 膜采用 “顶层 - 中间层 - 底层” 的复合结构，每层各司其职：
顶层（TPU 层）：疏水且水下亲油，负责 “接收” 待处理液体（如含油废水）；
中间层（HNF 缓冲层）：由 CA/TPU 螺旋纳米纤维构成，形成海绵状互联通道，是液体运输的 “中转站”；
底层（PAN 层）：亲水且水下疏油，负责快速排出液体（如水），同时阻挡油相通过。
通过扫描电镜（SEM）可清晰看到，三层结构结合紧密，界面无明显缝隙，为定向运输提供了稳定的结构基础。
2. 螺旋纤维：让膜 “呼吸” 更顺畅
中间层的螺旋纳米纤维（HNF）是关键创新点。团队通过 “并列静电纺丝技术”，利用 CA 和 TPU 两种材料的弹性差异，制备出自然卷曲的螺旋结构。这种结构有两大优势：
超高孔隙率：螺旋纤维相互缠绕形成的海绵状通道，让膜的孔隙率最高达到 87.5%，远超传统平直纤维膜；
水平互联：通道相互贯通，液体可在横向快速扩散，避免因重力堆积导致的运输堵塞。
3. PDA 调控：给螺旋纤维 “定形”
为了让螺旋结构更规则，团队加入了多巴胺（PDA）。PDA 能通过氢键作用，强化 CA 与 TPU 之间的界面结合—— 当 PDA 含量为 2wt.% 时，螺旋纤维的曲率达到 1.3（最紧密），孔径缩小至 48.1μm，此时膜的输水效率最佳。若 PDA 过多或过少，都会导致螺旋结构松散或断裂，可见 “剂量控制” 的重要性。
三、性能实测：数据见证 “六边形战士” 实力
实验室的严苛测试，让这款仿生膜的性能 “无可挑剔”：
1. 定向输水：1250% 的单向传输指数
通过 moisture management tester（MMT）测试发现，液体能快速从顶层（疏水侧）穿透到低层（亲水侧），反向则完全被阻挡 —— 这种 “只进不出” 的特性，让膜的单向传输指数高达 1250%，是传统双层膜（514%）的 2.4 倍。
更直观的是染色实验：将品红染色水滴在疏水侧，3 秒内就能穿透膜并扩散到亲水侧；若滴在亲水侧，液体只会在表面扩散，疏水侧始终干燥，完美实现 “定向运输”。
2. 油水分离：98.92% 效率 + 10 次循环稳定
在油水分离测试中，预润湿后的 PHT Janus 膜表现惊艳：
分离效率：对苏丹 III 染色的正己烷 - 水混合物，分离效率达 98.92%，几乎能完全截留油相；
通量：水的透过通量高达 13860.77 L・m⁻²・h⁻¹，相当于 1 小时内 1 平方米膜能过滤近 1.4 万升水；
稳定性：经过 10 次循环使用，效率仍保持在 98% 以上，通量无明显下降。
对比已报道的同类材料，这款膜在 “高效率” 和 “高通量” 上实现了双重超越，为工业废水处理提供了高效方案。
3. 穿戴适配：降温 3℃+ 透湿提升 59%
除了环保领域，这款膜在穿戴领域也潜力巨大。研究团队将 PHT 膜与棉、聚酯等传统面料复合，测试发现：
透湿性：复合面料的透湿性最高提升 59.2%，汗液能快速排出；
降温效果：通过红外热成像（FLIR）观察，复合面料的表面温度比原面料低 2.5-3.3℃，在 30℃以上环境中能有效缓解闷热；
力学性能：复合后的面料断裂应变提升 4 倍，拉伸时不易破损，完全满足日常穿戴需求。
四、应用场景：从环保到日常的 “多面手”
这款仿生 Janus 膜的优势，让它能轻松适配多个场景：
1. 环保领域：治水治油的 “利器”
工业废水处理：可用于机械加工、餐饮等含油废水的快速分离，降低处理成本；
海上溢油清理：铺设在溢油区域，能定向收集海水，截留油污，减少海洋污染。
2. 穿戴领域：智能服饰的 “核心组件”
运动服：集成 PHT 膜的运动服，能快速排出汗液，保持皮肤干爽，减少运动后着凉风险；
户外装备：在登山、徒步等场景中，可兼顾透气和保暖，适应复杂气候。
3. 生物医学：伤口护理的 “新选择”
未来还可开发为伤口敷料，通过定向运输排出伤口渗出液，避免积液导致的感染，同时保持伤口湿润，促进愈合。
结语：向自然学习，永远有新答案
从植物叶片的简单结构，到性能卓越的仿生膜，这项研究再次证明：“自然是最好的设计师”。通过复刻自然的智慧，结合纳米技术和材料科学，我们不仅能解决工业、日常中的实际难题，还能为 “绿色科技” 的发展提供新方向。
参考文献：
Kuang, X., et al. Biomimetic Janus membrane with spongy channels for directional liquid transport. Nat Commun 16, 10001 (2025).
来源：生活小乐趣