摘要：随着可穿戴电子和个人医疗系统的快速发展，纺织品正从被动覆盖物演变为能够感知、保护和调节的主动智能组件。防水透气膜作为人体的“第二皮肤”，在防护服装、医疗敷料和柔性电子领域备受关注。然而，商业化的防水透气膜通常分为亲水无孔和疏水微孔两类，前者透湿性有限，后者虽更

随着可穿戴电子和个人医疗系统的快速发展，纺织品正从被动覆盖物演变为能够感知、保护和调节的主动智能组件。防水透气膜作为人体的“第二皮肤”，在防护服装、医疗敷料和柔性电子领域备受关注。然而，商业化的防水透气膜通常分为亲水无孔和疏水微孔两类，前者透湿性有限，后者虽更透气却面临孔隙率低、耐水性差等制造瓶颈。现有膜材料在动态可穿戴环境中难以兼顾舒适性、耐久性与功能性，更未能实现能量收集与抗菌性能的集成，这成为当前智能纺织品发展的主要挑战。

近日，北京科技大学王宁教授、曹霞教授提出了一种突破性解决方案：通过同步电纺丝-电喷涂技术，成功制备出仿生Janus蜘蛛网结构纳米纤维膜，集成了摩擦电能量收集、自适应热湿调节与高效抗菌功能于一体。该膜由聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯和聚酰胺6构成，具备疏水/亲水不对称润湿性、83.6%的高孔隙率和卓越的机械耐久性——在2000次弯曲后仍保持99%的结构完整性。在1 kW/m²太阳辐照下，它能建立7.4°C的热梯度，并通过电场增强设计将水传输速度提升20%。其摩擦电输出性能优异，开路电压达177.5 V，功率密度为0.63 W/m²，且在10,000次循环中保持稳定，甚至可用于加密莫尔斯码通信。此外，该膜对大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别高达99.92%、100%和95%。该工艺成本低、可扩展，兼容卷对卷制造，为下一代可穿戴医疗与防护系统提供了工业化应用的广阔前景。相关论文以“Bioinspired Janus Spider-Web Nanofibrous Membranes Integrating Triboelectric Energy Harvesting, Adaptive Thermo-Moisture Regulation, and Bactericidal Activity for Multifunctional Wearables”为题，发表在Advanced Materials。

图1揭示了该蜘蛛网膜的形成机制与应用原理。在电纺丝过程中，泰勒锥顶端同时产生射流与液滴，液滴在飞行中经历相分离与溶剂蒸发，自组装成二维纳米网结构。该Janus膜由疏水PVDF-HFP层与亲水PA6层构成，可实现汗液从皮肤向外的单向传输，兼具透气与防水功能。图中还展示了液滴在电场中受静电力、表面张力等多重作用下的变形过程，以及从均匀溶液到有序网络结构的自组装路径。

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装置的工作原理 c) 泰勒锥顶端的射流喷射与液滴喷射示意图 d) 电场下静电喷射过程中旋转液滴的受力机制及其变形过程示意图 e) 基于带电液滴相分离的二维纳米网自组装过程示意图

图2进一步分析了膜的电荷行为与微观结构。随着离子液体TBAPF浓度增加，液滴发射频率上升，电荷密度显著提高。Janus膜具有最大的比表面积和最小的平均孔径，其蜘蛛网结构在扫描电镜下清晰可见，呈现出交错有序的纤维网络。XRD与FT-IR结果表明，PVDF-HFP蜘蛛网膜中β晶相含量显著提升，增强了其铁电性与稳定性。

图2 a) 不同浓度TBAPF溶液形成的带电流体电荷密度 b) 液滴形成的理论临界阈值与实际测得电荷密度之差 c) PA6、PVDF-HFP和Janus膜的BET比表面积与孔径分布 d) PVDF-HFP蜘蛛网膜的SEM图像 e) PA6蜘蛛网膜的SEM图像 f) Janus蜘蛛网膜的截面结构 g) PVDF-HFP粉末、纤维膜与蜘蛛网膜的XRD图谱 h) 三种材料的FT-IR图谱 i) 三种材料的XPS分析

图3展示了该膜在机械、热学与水管理方面的卓越性能。Janus膜具有最高的拉伸强度与断裂伸长率，热分解温度达457°C，远优于单一组分膜。在热管理测试中，它在光照下两侧温差达7.4°C，展现出优异的自适应调温能力。接触角测试表明，PVDF-HFP层高度疏水，而PA6层则表现出快速亲水吸附，实现了单向导湿，有效防止水分反向渗透。

图3 a) 不同膜的应力-应变曲线 b) 热重分析曲线 c) 不同温度下的形貌变化 d) 高温下的形貌观察 e) 热分解温度对比 f) DSC热流曲线 g) 无光照下的热成像与温度分布 h) 光照下的热成像与温度分布 i) PVDF-HFP与PA6膜的动态接触角 j) 不同PVDF-HFP膜的静态接触角 k) 不同PA6膜的动态接触角 l) Janus膜单向水传输机制示意图

图4系统评估了膜的透湿与蒸发性能。Janus膜在吸水率、毛细上升高度和蒸发速率方面均优于常见商用织物。尤其在电场作用下，其水蒸气传输率提升约20%，蒸发过程显著加快。模拟分析显示，平行电场能有效促进NaCl溶液中水分子的蒸发，其机制涉及极化取向、氢键破坏与离子迁移的协同作用。

图4 a) 不同膜的吸水率 b) 不同膜的毛细上升高度随时间变化 c) Janus膜与商用织物的蒸发速率对比 d) 不同织物覆盖下皮肤水分的红外图像 e) 有无电场下Janus膜两侧的透湿性 f) 不同膜在电场下的蒸发量随时间变化 g) 纯水与NaCl溶液在不同方向电场下的蒸发行为 h) 不同平行电场强度下NaCl溶液蒸发通量的变化 i) 有无电场下NaCl溶液中水分子蒸发的时空演变 j) Janus膜在毛细作用与电场极化耦合下的水传输机制示意图

图5详细介绍了基于该膜的摩擦电纳米发电机（W-TENG）的输出性能。其开路电压随TBAPF浓度升高而增加，最高达177.5 V，功率密度为0.63 W/m²。在不同频率、压力与温度条件下，W-TENG均表现出稳定的输出特性，并能有效为电容器充电，展示出其在能量收集系统中的实用潜力。

图5 a,b) W-TENG在接触与分离状态下的有限元模拟 c) 不同纤维膜制备的TENG开路电压 d) 不同TBAPF浓度下的开路电压 e) 不同频率下的开路电压 f) 不同频率下的短路电流 g) 不同频率下的转移电荷量 h) 不同压力下的开路电压 i) 不同温度下的开路电压 j) 不同温度下W-TENG的工作状态照片 k) 输出电压、电流与负载电阻的关系 l) 功率密度随负载电阻的变化 m) 循环次数与开路电压的关系 n) W-TENG器件照片 o) 不同电容器的充电曲线 p) W-TENG的电路示意图

图6则展示了W-TENG在自供电传感与抗菌领域的应用。通过周期性的接触-分离运动，W-TENG可输出与莫尔斯码对应的电信号，成功实现了“LUCK COME USTB”等信息的加密传输。在抗菌测试中，Janus膜在电刺激下对三种常见病原菌均表现出近乎完全的抑制效果，其机制包括电场诱导的膜穿孔与活性氧介导的氧化应激反应。

图6 a) W-TENG自供电传感器的工作机制 b) 莫尔斯码编码表 c–f) W-TENG用于莫尔斯码传输的演示（字符U、S、T、B） g) 对大肠杆菌的抗菌效果 h) 对金黄色葡萄球菌的抗菌效果 i) 对MRSA的抗菌效果 j) W-TENG抗菌系统结构示意图 k–m) 三种菌的抗菌率统计 r) 抗菌机制示意图

综上所述，这项研究通过仿生设计与材料创新，成功构建了一种兼具能量收集、环境调节与生物防护功能的Janus蜘蛛网纳米纤维膜。其优异的机械韧性、热稳定性与多功能集成能力，为智能纺织品、医疗防护和人机交互系统提供了全新的技术平台。该成果不仅推动了自供电传感与自适应热湿管理的一体化发展，也为未来可穿戴设备在现实环境中的广泛应用奠定了坚实基础。

来源：高分子科学前沿一点号1