随着水资源短缺问题日益严重，开发新型海水淡化技术变得至关重要。膜蒸馏技术作为一种有潜力的方法，在处理高盐度废水方面具有优势。然而，传统的膜蒸馏膜容易受到低表面张力污染物的影响，导致膜润湿和盐分透过率下降。

图1 仿生弹尾虫皮肤制备的具有凹腔微纳表面结构的全疏膜

为了克服这一瓶颈，受弹尾虫皮肤的启发，西安交通大学化工学院伊春海教授团队与香港城市大学Alicia Kyoungjin An教授团队合作研究，采用静电喷雾技术结合开发了一种具有纳米凹腔结构的全疏水膜，并应用于膜蒸馏废水处理系统中，以完成高效的海水淡化。

图2(a) PS1、 (b) PS2、 (c) PS3、 (d) PS4 膜表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像及其更高倍率下的SEM图像分别展示于图中（a - d）的插图部分；（e）部分展示了基于表面能信息的膜水接触角（CA）测量结果；（f） 部分呈现了在不同pH值条件下对膜进行磨损试验与稳定性测试的结果（详见附录）；（g）部分为仿生凹面PS珠包覆全疏膜制备工艺的示意图。误差条代表三次独立测量的标准偏差。

本研究采用静电喷雾技术制备了具有凹腔结构的聚苯乙烯（PS）纳米颗粒，并将其涂覆在商业聚偏氟乙烯（PVDF）膜上。通过控制环境湿度和施加电压，优化了PS颗粒的形态，使其形成类似于弹尾虫皮肤的凹腔结构。随后，采用低毒性短链全氟聚醚（PFPE）润滑剂进行浸涂，进一步降低表面能，赋予膜全疏水性。本研究采用等离子体活化策略在基底膜表面引入羟基官能团，与润滑剂中的羧基进行脱水缩合反应形成共价交联网络，实现涂层与基底膜之间界面结合强度的优化。

图3 静电喷雾过程中形成球形和凹形PS珠的示意图

本研究的主要创新点在于采用电喷雾技术制备纳米凹腔结构，并利用低表面能润滑剂赋予膜全疏水性。相比传统的湿法/干法刻蚀和光刻技术，电喷雾技术更加简单易行，且能够精确控制纳米结构的形貌。纳米凹腔结构有效增加了膜的表面粗糙度，而低表面能润滑剂则降低了表面能，两者协同作用使膜具有优异的全疏水性，能够有效抵抗低表面张力液体的润湿。实验数据表明，优化后的PS4L2膜具有水接触角171.1°、油接触角139.6°和表面能12.39 mNm−1，孔隙率高达87.4%，在处理含有1.0mM十二烷基硫酸钠的海水时，该膜保持了稳定的99.9%盐分截留率，显著优于传统膜，展现出优异的膜蒸馏性能。

图4（a）C-PVDF、PS4 和 PS4L2 膜的分子动力学（MD）性能分析；（b）分子动力学模拟后膜表面的光学相干断层扫描（OCT）图像展示；（c）具有纳米凹陷回转结构膜的抗润湿性能原理示意图；（d）基于流体流动和粒子追踪模拟的纳米结构与进料溶液相互作用机制研究。

本研究开发的全疏水膜在海水淡化方面展现出巨大的潜力，为解决水资源短缺问题提供了新的思路。未来，本研究将进一步优化膜的性能，并探索其在其他领域的应用，为可持续发展作出贡献。

相关研究成果以“受弹簧尾虫启发研发具有纳米级凹腔结构的全疏性润滑膜并应用于膜蒸馏废水处理系统中 （Springtail-inspired omniphobic slippery membrane with nano-concave re-entrant structures for membrane distillation）”为题发表在Nature Communications上。本文的第一作者为西安交通大学郭佳鑫特聘研究员，第一单位为西安交通大学化学工程与技术学院。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-52108-9

伊春海教授个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/web/chunhai

Alicia AN教授个人主页：

https://seng.hkust.edu.hk/about/people/faculty/alicia-kyoung-jin-an

郭佳鑫特聘研究员个人主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/0020220155