《Advanced Materials》综述！Janus静电纺丝膜制备方法、关键挑战和潜在应用

研究背景

膜是一类具有代表性的宏观二维材料，具备分离、筛分、催化、选择和阻隔等多种功能。它们在人类生活中扮演着重要角色，也是一些工业生产与应用中的核心元素。随着人类科技文明的飞速进步与变革，传统的均质单一功能膜已逐渐无法满足人们对智能、可控、高效、集成及可回收材料的新兴需求。1985 年，Cho 和 Lee 将 “Janus” 这一概念引入科学界，并借助他们的诺贝尔奖演讲使其在全球范围内传播开来。Janus 是古罗马神话中的双面神，其两张不对称的面孔能够同时回望过去与展望未来（图 1）。受此启发，若能赋予膜材料 Janus 型不对称特性，必将催生更多无限可能与突破性进展。“Janus 膜” 自此成为一个独立且新颖的研究领域。从广义上讲，任何两面具有不同性质（包括成分、结构、形态或物理性质，如润湿性、表面电荷等）的膜，都可归类为 Janus 膜（图 1）。因此，构建 Janus 膜成为科学家们首要考虑的问题。

在过去 20 年中，随着 Janus 膜概念的推广与普及，相关研究如雨后春笋般涌现，并迅速形成了涂层、自组装、表面接枝、激光蚀刻等一系列常见制备策略。这些方法各有优劣，研究人员会根据具体场景与目标进行选择。而在众多制备策略中，电纺技术往往是许多研究者的首选。对于 Janus 膜的构建而言，电纺技术的优势体现在：其一，拥有庞大的材料库，研究者可按需选择；其二，电纺纳米纤维膜能与多种不同材料的基底复合，极大拓展了 Janus 膜的种类与应用场景；其三，电纺技术成熟的规模化生产条件，让 Janus 膜的实际应用成为可能。基于此，关于 Janus 电纺膜（JEMs）的研究层出不穷，近年来尤为突出（图 1）。随着不断的发展与创新，JEM 已成为一个独立且经典的研究分支。

图 1. 双面电纺膜（JEMs）概述。

主要内容：

四川大学杨璐铭教授联合香港城市大学胡金莲教授在期刊《Advanced Materials ( IF 26.8 )》上发表题目为“Janus Electrospun Membranes”的综述，该综述首先依据层数将 JEM 分为两类，总结了具有代表性的制备策略，并重点探讨电纺技术在其中的作用。随后，聚焦该领域最核心的挑战 —— 层间结合力薄弱问题，从物理和化学策略两方面列举当前的解决方法，并分析各自的局限性。接下来，在综述的主体部分，按照 “方法 - 结构 - 性能 - 原理 - 应用”的逻辑，梳理并分析 JEM 的不同应用，总结具有不同机制的 JEM 的最新代表性进展及存在的问题。最后，强调 JEM 面临的挑战，并简要概述潜在的解决方案与未来发展蓝图，为该领域的未来发展指引方向。

结构设计策略

多层结构：包括 “电纺 + 电纺”（逐层堆叠，可调控材料或参数实现不对称）和 “电纺 + 其他方法”（如涂层、喷涂，扩展功能）。

单层结构：通过等离子体处理、梯度纺丝等实现单面改性，避免层间分离问题。

影响因素：材料（聚合物分子量、溶剂挥发性）、工艺（电压、接收速度）、环境（温湿度）协同调控膜性能。

图 2. Janus 电纺膜（JEMs）的结构设计策略。a、b) 通过 “电纺 + 电纺” 方法构建全纳米纤维多层 JEMs。在不改变聚合物类型的情况下，可通过调整比例或实验条件构建具有不对称成分的 JEM（a）。此外，也可通过改变聚合物类型来构建具有不对称性质（如润湿性）的 JEM（b）。c) 多层 JEM 的工业化生产策略。针头式电纺机（I）和无针头式电纺机（II）均可实现预期目标。d) “电纺 + 电纺” 方法的选择依据及预期结果。e) 电纺技术对膜厚度的高度可控性及其影响因素。f、g) 电纺技术可与其他方法结合制备 JEMs。电纺可作为主要方法，将纳米纤维膜与其他材料（如液态金属；MXene；黑色墨水）结合（f）。电纺也可作为辅助方法，在现有结构化基底表面构建纳米纤维层（g）。h) 单层 JEM 的构建策略。

层间结合强度优化

物理策略：压力（冷压 / 热压）、超声焊接、结构互锁（共电纺、嵌入结构）。

化学策略：交联反应、多巴胺粘附、分子互扩散，需解决反应位点控制难题。

图 3. 增强 Janus 电纺膜（JEMs）层间结合强度的策略。a) 压力法。b) 超声法。c) 结构法。d) 交联法。e) 粘附法。f) 互扩散法。

应用场景

润湿性不对称：定向水传输（如服装冷却、伤口排液）、光催化、蒸馏、油水分离。

导电性不对称：能量收集（纳米发电机）、柔性传感器、自充电口罩。

导热性不对称：温度调节织物、建筑节能、热电发电。

结构与变形不对称：emulsion 分离、仿生支架、柔性致动器。

图 4. 具有定向水传输（DWT）能力的润湿性不对称 Janus 电纺膜（JEMs）的机制与应用。a) 受荷叶启发的定向水传输的宏观和微观机制及过程。b) 蒸发冷却。（I）一步法制备的单层 JEM。（II）具有辐射冷却和定向水传输协同作用的多层 JEM。c) 伤口敷料。JEM 能有效减少伤口渗出液污染并加速伤口修复。d) 干面膜。含中药成分的 JEM 面膜具有抗菌和护肤功效。e) 雾收集。多层 JEM 可促进水向超亲水内部传输，其集水效率远高于其他类型的电纺膜。f) 可穿戴传感器。旨在减少汗液对传感器灵敏度和佩戴舒适性的不利影响。g) 金属提取。这种 JEM 能够选择性地允许特定离子通过或阻止其通过。

图 5. 具有导电性不对称性的 Janus 电纺膜（JEMs）的机制与应用。a) 基于 JEM 的压电纳米发电机（PENG）和摩擦纳米发电机（TENG）的机制。b) 电纺方法在构建具有导电性不对称性的 JEM 时所具备的优势及关键特性。c) 通过聚偏氟乙烯（PVDF）珠状纳米纤维的自组装构建具有电纺微金字塔阵列（EMPAs）结构的异质纤维 JEM。d) 基于 JEM 的压电 / 摩擦纳米发电机（PTEGs）的实际应用推广。e) 三层 JEM 口罩包含中间的电纺 PVDF 过滤介质和两层尼龙织物摩擦电层。三层 JEM 口罩的摩擦起电过程及机制示意图。f) 具有摩擦带电特性的 PVDF/PTFE JEM 口罩被赋予医疗监测功能和人机交互能力。

图 6. 具有导热性不对称性的 Janus 电纺膜（JEMs）的机制与应用。a) 人体皮肤表面微环境的热流与传递过程示意图。b) 带有 MXene 纳米片涂层的 JEM 具有较低的中红外（MIR）发射率。c) 具有高日光反射率和中红外发射率的双层聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维 JEM。d) 具有不对称光热特性的银纳米线 / 还原氧化石墨烯 / 聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（AgNW/rGO/PVDF-HFP）JEM 可实现加热与冷却模式的选择性切换。e) 通过电纺和喷涂方法制备的具有温度管理能力的双层 JEM 基建筑外披。f) 聚二甲基硅氧烷（PDMS）纳米纤维 JEM 热电皮肤，其两面分别含有白色氮化硼（BN）纳米颗粒和黑色石墨烯纳米片（GNP）。g) 受斑马条纹启发的带有不连续黑色图案的白色电纺膜。

图 7. 具有结构不对称性和物理变形不对称性的 Janus 电纺膜（JEMs）。a) 基于孔径梯度、用于发电的可持续吸收 - 蒸发循环 JEM。b) 具有密度梯度的双层 JEM 支架，可模拟人体皮肤的实际特性。c) 受蛾眼启发、具有尺度梯度的多层 JEM，用于发电和电力输出。d) 液 - 固相不对称电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜，用作药物控释医用导管。e) 作为柔性致动器的刺激响应性活性 JEM。

图 8. 展望与前景。电纺技术的优势包括丰富的材料选择、优异的可控性以及适用于工业化生产。然而，对于 Janus 电纺膜（JEMs）研究而言，仍存在几项关键挑战，例如多层 JEM 的集成制备与功能化、层间结合强度的增强以及这一新概念的普及。为应对这些挑战，未来一个潜在的发展方向是构建先进的集成化 JEM 生产线，将溶液制备、电纺、功能化、后处理以及层压 / 卷绕等环节整合起来。

电纺策略在 JEM 研究中脱颖而出，成为一种全面且通用的方法，源于其相比该领域其他方法具有三大无可比拟的优势（图 8）：

1、丰富的原料选择

目前，近百种原料可用于电纺，涵盖人工合成与天然高分子材料。因此，当科学家目标明确地构建 JEMs 时，能快速精准地找到所需原料，且已有成熟可行的标准化制备步骤。例如，需要具有不对称润湿性的 JEM 时，可直接选用高疏水性的聚偏氟乙烯（PVDF）与超亲水性的明胶。若考虑各类添加剂（如纳米颗粒）或与其他材料薄膜（如水凝胶等）的复合，则可衍生创造出无限可能。

2、优异的可控性

这种可控性体现在两方面：首先，电纺技术已进入成熟阶段，研究者能精准控制实验条件（甚至大规模工业生产中的条件），包括温湿度、电压、流速等；基于此，第二方面是研究者可通过控制环境与生产条件，精准调控电纺膜的宏观结构（厚度、孔径等）和微观结构（珠状形态、粗糙度等），从而在不改变纺丝溶液的情况下获得具有结构不对称性的 JEM。

3、适合工业化生产

电纺膜的工业化生产已不再是难题，一些具有代表性的大型相关企业已成立并尝试将产品推向市场，这为 JEM 未来的商业化带来了明确希望。

尽管具备上述突出优势，JEM 仍远未真正融入我们的日常生活。这是因为目前仍存在一些不可忽视的挑战，阻碍该领域向实际应用迈进（图 8）：

• 以刚才提到的工业化为例，相关技术目前的工业化水平主要停留在单面单层电纺膜层面。对于多层 JEM，从设计、测试到生产仍面临巨大困难，难点主要体现在大型仪器设备的设计上，例如如何利用卷对卷电纺机生产双面均为电纺膜的 JEM。
• 第二个问题仍是层间结合力弱这一问题。尽管本综述总结分析了一些现有增强策略，但我们发现，专门设计实验解决这一问题的研究团队较少。多数研究中，层间结合力的提升并非主要目标，这实则本末倒置，导致实验结果往往难以达到较高标准，即层间结合力的改善效果十分有限。

3、最后一点是 JEM 概念尚未普及与统一，导致科学家在材料设计、理论分析和实验实施过程中，并未从多层膜的不对称性出发。其中，润湿性不对称设计可说是相对突出的代表，但针对其他特性（如导热性、延展性、导电性或物理结构）的靶向不对称设计研究则极为匮乏。若研究者能以更明确的构建不对称性为目标开展实验，或许能获得一些颠覆性、突破性的积极成果。

这些巨大挑战横亘在 JEM 领域面前，使该领域的发展此刻处于至关重要的关键节点。为确保该领域未来沿健康、正确、充满活力的方向发展，必须解决以下几点：首先，应规范并普及 JEM 概念。只有当多数学者认识到 JEM 的核心优势与意义，才会投入更多关注、时间和精力完善它，这也是本综述的核心意义（图 8）。

接下来是如何解决具体实际问题。针对层间结合力难题，应从三方面入手：

1、拓展电纺用聚合物的选择范围。探索设计两种不同聚合物，使其能在微尺度接触点精准发生点击化学、缩聚或动态共价键重构反应，在不堵塞孔隙的情况下在层间生成强结合位点。同时，可引入聚轮烷等超分子，赋予 JEM 优异的层间自修复能力，使其受损后能自行愈合，维持层间长期连接。此过程可整合机器学习方法，加速合适聚合物的筛选。

2、从宏观尺度探索多孔结构粘合层。例如，在传统粘合层（如聚多巴胺、明胶、聚氨酯等）中引入微纳米致孔剂，或采用基于气泡、乳液的方法在粘合层中引入气孔或挥发性物质。这些方法的目标是成型后在粘合层中产生丰富孔隙，实现多层 JEM 的紧密结合，同时避免对纳米纤维膜的孔隙结构和形态产生负面影响。

3、从应用角度出发，开发特定使用场景可适当降低或消除对层间结合力的要求。这类应用包括本综述提及的护肤面膜，未来还可开发口腔溃疡贴、皮肤用药贴等一次性敷料。

总之，随着 JEM 概念的普及与成熟，必将激发出无限创新思路。未来，该领域充满挑战与机遇，我们应以开放进取的心态，秉持革命性与创造性思维迎接它们。在科学家与社会各界的共同努力下，一个全新且光明的时代必将到来。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507498