Janus电纺膜（JEMs）：构建策略、性能优化及应用前景的全面综述

作者、机构及发表信息 本文的作者包括Yifan Si， Shuo Shi， Chuanwei Zhi， Leqi Lei， Jinlian Hu*， 和 Luming Yang*。其中，Yifan Si和Luming Yang来自Sichuan University的College of Biomass Science and Engineering；Shuo Shi来自The Hong Kong Polytechnic University的Joint Research Centre for Fibre Innovations and Renewable Materials；Chuanwei Zhi来自The Hong Kong Polytechnic University的Department of Applied Physics；Leqi Lei和Jinlian Hu来自City University of Hong Kong的Department of Biomedical Engineering。本文是一篇综述文章，发表于期刊*Advanced Materials*，在线发表日期为2025年（卷37，文章号2507498）。

论文主题与目的 本文的核心主题是Janus电纺膜。作为一类新兴的先进功能纳米纤维材料，Janus电纺膜因其双面不对称的特性（如润湿性、结构、电导率等），在功能服装、清洁能源、智能传感等领域展现出不可替代的优势。然而，作为一个新兴概念，其深刻内涵和学术价值尚未得到科学界的充分认识，并且在走向大规模应用过程中面临诸多挑战。

本文的主要目的是对Janus电纺膜领域进行一次及时、系统且具有批判性的全面回顾。其具体目标包括：首先，定义Janus电纺膜的广义范围和相关类别；其次，重点总结和讨论不同层数和结构的JEMs的构建方法；第三，聚焦并分类比较该领域的核心挑战——通过化学和物理策略增强层间结合力；第四，系统评述根据不同不对称特性（主要是润湿性不对称）发展的JEMs在不同领域的应用，并深入分析其构建方法、功能原理和关键机制；最后，详细探讨JEMs在大规模制备、性能优化、跨学科应用等方面面临的实际挑战和技术瓶颈，旨在为推动JEMs技术的技术突破和产业转型提供灵感和指导。

主要观点与论据

一、 Janus电纺膜的定义与结构设计策略 本文首先对Janus电纺膜进行了广义定义：任何两面具有不同性质（包括组成、结构、形态或物理性质如润湿性、表面电荷等）的膜材料均可归类为Janus膜。而电纺技术因其巨大的材料库选择空间、易于与各种基底复合以及成熟的大规模生产条件，成为构建Janus膜的优势策略。

在结构设计上，JEMs主要可分为两大类：多层JEMs和单层JEMs。其构建策略主要围绕电纺技术展开。

1. 多层JEMs设计策略：此策略又分为两种路径。

   • 电纺+电纺法：即每一层均通过电纺法制备，形成全纳米纤维JEM。其优势在于仪器设备高效利用、制备流程简化，且在工业上可通过卷对卷（roll-to-roll）方式实现不同纳米纤维的多层同时制备。例如，Cheng等人通过两步电纺调整聚乳酸/聚环氧乙烷水凝胶比例，构建了双层膜，利用厚底层作为支撑层，薄顶层作为选择层，实现了优异的乳液分离性能。此外，仅通过改变纺丝条件（如时间、浓度）而不改变聚合物种类，也可获得结构或直径不对称的JEMs，例如Xiong等人利用无针头电纺技术，通过交替纺丝不同浓度的聚丙烯腈溶液，制备了具有双层/三明治结构的低过滤阻力空气滤膜。然而，此方法的局限性在于不同聚合物溶剂体系可能不相容、多电场干扰，以及无法克服电纺膜固有的机械强度弱、层间结合力差等问题。
   • 电纺+其他方法：即电纺纳米纤维层与其他方法（如涂覆、沉积、喷涂、真空过滤等）制备的层相结合。这又可分为两类：一是以电纺层为主体的方法，例如在弹性电纺膜上涂覆液态金属以构建导电层，或在电纺膜一侧通过真空过滤沉积MXene纳米片以实现被动加热功能；二是以电纺层为辅助的方法，例如在其他主体材料（如铸膜TPU、钢柱阵列）表面附加一层电纺纤维，以调节润湿性或提供隔热/吸液功能。这种方法可以取长补短，但同样面临层间结合力以及规模化制备的挑战。

2. 单层JEMs设计策略：在单层电纺膜内构建不对称性更具挑战性，但也更能保留纳米纤维的柔韧性、弹性及高孔隙率特性，并完全避免分层问题。主要策略包括：

   • 单面改性：例如对膜的一面进行等离子体处理，引入亲水性基团，从而在膜厚度方向形成润湿性梯度。
   • 一步法构建梯度：在纺丝过程中实时控制两种（亲水/疏水）纺丝溶液的混合比例，从而一步获得具有渐变润湿性梯度的单层膜。
   • 自粘附策略：在接收基底上预置超疏水纳米颗粒（如二氧化硅气凝胶），在电纺过程中，固化的纳米纤维将颗粒半包裹并粘附，从而在一侧形成不连续的超疏水层。
   • 利用基底限制构建空间不对称结构：例如通过低温电纺技术，利用电荷局部积累和相分离，在膜的外表面形成类似粘膜“脊状”的粗糙结构，而内接触面保持光滑，实现单层膜内的空间结构不对称。

二、 JEMs层间结合力的优化设计 弱层间结合力被认为是多层JEMs领域最核心的挑战之一，直接影响其使用寿命和应用场景。本文系统总结了增强层间结合力的物理和化学策略。

1. 物理策略：

   • 压力法（冷压/热压）：通过外部压力使层间纤维紧密接触甚至部分熔融再固化，以增强结合。热压法效果更显著，但高温高压可能导致纳米纤维多孔网络结构坍塌、功能物质失活，且能耗高、工艺控制要求严格。
   • 超声法：利用高频振动产生摩擦热，局部熔化热塑性材料界面以实现焊接。其优点是热量可控、高效节能，但同样存在热影响区问题。
   • 结构法：通过设计宏观或微观物理结构来防止分层。例如，采用共电纺技术使两层纤维在沉积时相互缠绕交织；或将电纺纤维嵌入到另一层材料的毫米级孔隙或微柱阵列中，形成机械互锁。此外，前述的自粘附策略也可视为一种通过微观结构增强结合的方式。这类方法创新性强，但面临微结构制备精度与可扩展性之间的矛盾、工艺集成复杂度高以及结构在复杂环境下稳定性等挑战。

2. 化学策略：

   • 交联法：通过化学反应在层间接触点形成化学键，从根本上增强结合力。这是理论上的理想方案，但难度极大，需要对聚合物反应性、反应位点和条件进行精确控制。
   • 粘附法：引入具有超强粘附能力的中间层（如聚多巴胺涂层），作为“分子胶水”增强层间附着力。
   • 分子间扩散法：通过调控工艺参数（如溶剂、温度），促进相邻层聚合物分子链的相互扩散和缠结，从而增强界面强度。 化学策略的研究相对较少，但潜力巨大。平衡孔隙率、结合强度和柔性三者之间的矛盾是优化设计的首要准则，需要根据JEM的具体应用场景进行取舍和协同优化。

三、 润湿性不对称JEMs的应用与机制 润湿性不对称是JEMs最典型的特性，其核心应用是定向水传输。其机理源于Janus膜疏水侧和亲水侧的协同作用：当疏水面朝上时，水在疏水孔隙处形成凸液面，受到向上的附加压力；一旦凸液面接触到下方的亲水层，亲水层提供的毛细力会迅速将水拉入并扩散；当亲水层朝上时，水被横向毛细力扩散，但受限于疏水层的附加压力而无法向下穿透，从而实现液体的单向传输。

基于DWT，JEMs在多个领域展现出重要应用价值：

1. 功能性服装与个人热管理：

   • 蒸发冷却：利用DWT将人体汗液快速从皮肤侧（疏水内层）导出至织物外侧（亲水外层）并蒸发，从而带走热量、保持皮肤干爽。例如，Hu课题组通过自粘附策略制备的单层JEM，不仅具有高效DWT能力，还表现出不对称的水蒸气传输能力，在潮湿皮肤上可比棉布多降温4°C。
   • 辐射冷却协同：将DWT与被动辐射冷却技术结合，可实现干/湿全天候人体降温。例如，通过在多层梯度JEM中引入高红外发射率的材料（如MXene、CaSO3），使得织物在“干态”下通过辐射散热，在“湿态”下通过增强汗液蒸发散热，实现协同降温效果。

2. 伤口敷料：JEMs作为智能伤口敷料具有独特优势。其内层（接触伤口侧）的疏水性可防止敷料粘连伤口并保持伤口适度干燥，外层（朝外侧）的亲水性可快速吸收并导出过量组织渗出液，防止积液，从而加速伤口愈合。研究通过将抗菌成分（如银纳米粒子）掺入纺丝液，还可赋予敷料抗菌功能，进一步提升疗效。

3. 其他应用：

   • 集雾：具有疏水-亲水结构的JEMs可用于从空气中收集水分。疏水表面有助于捕获雾滴并使其聚并滚落，而亲水内层则快速将收集到的水导走储存，提高集水效率。
   • 可穿戴传感器：在柔性传感器中集成JEMs的DWT层，可以将汗水及时从皮肤-传感器界面导离，减少汗液对传感器信号稳定性和佩戴舒适性的不利影响。
   • 金属离子提取：通过构建具有特定表面电荷或化学功能基团不对称的JEMs，可以实现对溶液中特定金属离子的选择性吸附或传输，应用于水处理或资源回收。

四、 面临的挑战与未来展望 尽管前景广阔，但JEMs技术走向实际应用仍面临一系列严峻挑战： 1. 规模化制备与成本：实验室的精密制备方法难以直接放大到工业连续生产，且涉及多步骤、多材料复合时成本控制困难。 2. 性能优化瓶颈：核心矛盾在于如何同时兼顾高孔隙率/通透性、强机械强度/层间结合力、优异柔韧性/舒适度以及长效稳定性（如耐洗涤、耐磨损）。 3. 跨学科应用障碍：在生物医学等领域，材料的安全性（生物相容性、毒性）、可降解性以及功能集成（如药物缓释）是必须跨越的门槛。 4. 机理认知与设计工具：对复杂不对称结构下多物理场（流场、热场、力场）耦合传输机制的深层理解仍需加强。未来需要借助人工智能、机器学习等工具建立多变量数学模型，实现JEMs结构-性能的精准预测与逆向设计。

论文的意义与价值 本文作为一篇发表在顶级材料学期刊上的系统性综述，具有重要的学术价值和指导意义： * 定义与梳理：首次对“Janus电纺膜”这一新兴分支进行了明确的范畴界定和系统的分类梳理，有助于统一领域内的认识和研究范式。 * 深度分析与批判：不仅总结了现有成果，更聚焦于领域内的核心挑战（如层间结合力）和关键技术瓶颈，进行了深入的对比分析和批判性思考，指明了当前研究的误区和停滞点。 * 机制与应用联动：采用“方法-结构-性能-原理-应用”的逻辑主线，将材料构建策略与其最终应用效能紧密联系，深刻揭示了其内在的科学原理，为面向应用的研究提供了清晰的思路。 * 前瞻性指引：详细剖析了从实验室研究走向产业化所面临的多维度挑战，并为未来的技术突破方向（如发展简单高效的单面处理策略、探索新颖的物理/化学增强机制、推动智能化设计等）绘制了蓝图，对该领域的青年学者和产业界人士具有重要的启发和引导作用。

总结而言，本文是一篇关于Janus电纺膜领域的纲领性文献。它系统性地呈现了该领域的全貌，从基础概念到前沿应用，从优势潜力到现实困境，为读者提供了全面而深刻的理解，必将有力推动Janus电纺膜这一富有潜力的研究方向向更深、更广、更实用的方向发展。