刘维民院士团队综述：智能响应超润湿材料及其在油水分离中的应用

Nano-Micro Letters (2026)18: 380

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02222-8

图2. 润湿与渗透基础。(a)Young模型；(b)Wenzel模型；(c)Cassie–Baxter模型；(d)接触角滞后；(e)前进角；(f)后退角；(g)非润湿液体的进入屏障；(h)润湿液体自发渗透。

图3a通过乳液模板聚合形成超弹性超疏水泡沫，图3b和图3c的不同放大倍数SEM展示连通孔道及其骨架结构，为选择性吸收油相提供空间。图3d进一步引入蜂蜡与可修复界面，将油/有机溶剂吸附、水排斥及损伤修复联系起来；图3e与图3f显示不同负载浓度下骨架表面的覆盖差异，说明功能层需要与孔道开放性相协调。

另一类路线优先让水通过。图3g的过滤结构将硅基纳米纤维与交联聚乙烯醇水凝胶结合；图3h及图3i分别呈现织物支撑与表面纳米纤维结构，亲水水化层有利于减少油滴黏附。图3j将ZnIn₂S₄/ZIF-8@PAN纳米纤维膜用于过滤和光催化协同处理，图3k展示其复合粗糙结构。这些案例体现了从吸附油相到阻油透水、再到同时处理溶解有机物的功能扩展。

图3. 典型超润湿材料。(a)超弹性泡沫制备；(b、c)泡沫SEM；(d)吸油与修复机制；(e、f)不同负载SEM；(g)亲水过滤结构；(h、i)支撑及纳米结构；(j)分离/光催化复合膜；(k)复合膜SEM。

图4a以界面聚合和磁性颗粒修饰构建爪形Janus颗粒，使凸面和凹面具有不同润湿倾向。图4b展示其先捕获、聚并微小油滴，再形成较大油滴的过程；图4c的SEM则确认不对称形貌。这一案例说明，空间上不同的表面化学可以协同改变乳滴行为。

图4d在棉织物上引入硅烷、BN与两性离子聚合物，图4e进一步展示温度变化导致聚合物收缩或溶胀，从而在优先透油和优先透水模式间切换。图4f通过刻蚀、表面修饰和静电纺丝构建双面不同的Janus膜，图4g将油的单向输运与翻转后的分离表现对应起来。空间非对称与外界刺激响应由此提供了两种相互补充的可控分离思路。

图4. Janus与可切换界面。(a)磁性Janus颗粒制备；(b)油滴聚并；(c)颗粒SEM；(d)温敏织物制备；(e)温度切换分离；(f)Janus膜构筑；(g)单向输油及分离。

图5a将猫舌的定向结构与猪笼草的液体引导特征组合为旋转齿轮，使油水沿各自路径输运。图5b以紫螺借助气泡漂浮为生物原型，图5c据此展示电催化微气泡带走附着油滴和杂质的动态清洁策略；图5d则利用仿生螺旋微通道，在预填水或油后选择性引导混合体系中的液体。

图5e—j比较不同天然纹理：图5e的荷叶、图5f的壁虎足毛和图5g的蚊子复眼展示多尺度表面结构；图5h的水黾足、图5i的稻叶及图5j的蝶翅则引出方向性纹理对液滴运动的调节。这些形貌并不对应完全相同的黏附或输运行为，而为调节粗糙度、方向性及接触面积提供不同原型。

图5k把沙漠甲虫与荷叶启发的结构用于聚氨酯海绵，通过MOF衍生层状双氢氧化物和低表面能修饰获得吸油及连续分离能力，并兼顾阻燃性。图5l借助类荷叶纳米纹理构筑超润湿膜，图5m则以海藻启发的稳定水化层减少水下油接触。仿生设计由此不仅复制形貌，还需要提取对应的界面作用机制。

图5. 仿生原型及应用。(a)双仿生齿轮；(b)紫螺；(c)气泡介导清洁；(d)螺旋微通道；(e)荷叶；(f)壁虎足毛；(g)蚊子复眼；(h)水黾足；(i)稻叶；(j)蝶翅；(k)仿生复合海绵；(l)纳米纹理膜；(m)海藻启发水化界面。

图6. pH响应案例。(a)桐油衍生海绵；(b)响应织物制备；(c)质子化机制；(d)pH相关油滴行为；(e)纤维素纸改性；(f、g)一组接枝纸的分离与润湿；(h、i)另一组接枝纸的对应结果。

图7a通过分层过滤制备纤维素纳米纤维/ZnO复合膜，在形成传输通道的同时引入光催化单元。图7b比较原始、吸附污染物及光降解后膜的外观，图7c则说明光生电子、空穴及活性氧物种参与有机物降解的过程，体现过滤与再生功能的结合。

图7d在棉基底上构筑Fe/TiO₂复合层，图7e展示光照增强其疏水表现的设计；图7f则采用原子层沉积在聚丙烯膜上构筑TiO₂涂层，依靠粗糙结构与表面羟基形成亲水、阻油界面。图7g记录轻油/水混合物的实际分离，图7h解释水通过而油被截留的路径。光的作用既可体现在润湿变化，也可体现在催化清洁或光热效应，评价时需区分各自贡献及光照条件。

图7. 光响应与光催化分离。(a)纤维素/ZnO膜；(b)光降解前后照片；(c)活性氧生成与降解；(d)Fe/TiO₂制备；(e)光照后润湿；(f)ALD TiO₂/聚丙烯膜；(g)轻油/水分离；(h)透水阻油示意。

图8a以静电纺丝制备尼龙和PVDF纤维，图8b将其组装为摩擦纳米发电装置，通过产生电场促进乳滴聚并与分离。聚苯胺网上的电润湿过程进一步展示了电场对界面屏障的调节：图8c中，0 V时液体受到界面屏障限制；图8d中，160 V时水界面下沉并逐渐浸润；图8e中，170 V时水进入网孔，而油仍被截留。这说明外加电场可以改变水相的进入条件。

图8f进一步展示可通断电压调节的ZnO阵列网；图8g、图8h、图8i和图8j依次对应原始金属丝、硅烷改性、生长ZnO阵列及硬脂酸修饰阶段，说明导电支撑、界面结合和表面化学的协同构筑。

图8k与图8l对比不同条件下水和十六烷的电压响应，图8m、图8n显示十六烷接触角随电压变化较小，而图8o、图8p显示水的接触角从115°降至56°。两相响应差异为选择性透过提供依据，同时也表明高电压需求、介电层和电极配置是工程应用中需要兼顾的条件。

图8. 电响应分离。(a)静电纺丝；(b)摩擦电驱动乳液分离；(c)0 V；(d)160 V；(e)170 V润湿状态；(f)可切换ZnO网；(g—j)四步表面构筑；(k、l)接触角—电压关系；(m、n)十六烷；(o、p)水的电润湿对照。

图9展示了CO₂响应性膜在润湿性调控及油水分离中的应用。Yan等以聚乳酸(PLA)纳米纤维膜为基底，利用聚多巴胺(PDA)涂层引入CO₂响应性共聚物，制备了具有可切换润湿性的复合膜(图9a)。未通入CO₂时，膜表面表现出疏水亲油性，水滴难以铺展，而油滴能够迅速润湿并渗透膜表面(图9b、c)。通入CO₂后，响应性叔胺基团发生质子化，膜表面亲水性显著增强，水滴逐渐完全铺展，同时表现出较高的水下疏油性(图9d、e)，实现了油水润湿性的可逆调控。

图9f采用毛细力驱动受限自组装制备复合膜，图9g利用CO₂/N₂切换实现多相乳液的分步分离，图9h从响应链段的伸展、收缩及质子化状态解释其机制。图9i进一步展示含叔胺共聚物的静电纺丝膜，图9j用CO₂与N₂切换油水选择性。气体响应有助于减少反复加入酸碱试剂，但实际运行仍需考虑气体传递、切换时间和复杂水质对响应过程的影响。

图9. 气体响应性膜的制备、润湿性调控及油水分离。(a)PLA\@PDA/DMA-V纳米纤维复合膜的制备示意图；(b、c)未通入CO₂时膜表面水滴和油滴在空气中的润湿行为；(d、e)CO₂作用后膜表面水滴在空气中的铺展行为及油滴在水下的润湿行为；(f)毛细力驱动限域自组装制备PPFM复合膜；(g)CO₂/N₂刺激下多相乳液的分步分离过程；(h)叔胺基团质子化/去质子化及聚合物链段构象变化引起的润湿性切换机制；(i)PMMA-co-PDEAEMA共聚物纳米纤维膜的静电纺丝制备；(j)CO₂/N₂刺激下油水选择性分离示意图。

图10a利用冠醚与Na⁺络合改变表面极性，使同一膜可选择不同乳液分离模式。图10b比较乳液和滤液外观，图10c显示不同表面活性剂下的分离效率与通量，图10d和图10e进一步分别考察油包水、水包油乳液，说明响应性能还受乳液组成影响。

图10f制备接枝聚离子液体的氧化石墨烯，图10g将其负载到棉织物；图10h和图10i以不同反离子体系的水、油接触状态进行对照，图10j则解释反离子交换导致亲疏水性切换的过程。离子调控由此从特定配位拓展至表面层整体极性的改变。

图10k通过硬脂酸修饰与四氢呋喃脱附，实现网膜在透油和透水之间切换；图10l进一步展示水及乙醇处理引起的表面润湿状态演化。溶剂能够重排或移除表面组分，提供直接的调节手段，但溶剂回收、表面组分保持及重复切换寿命也是评价其应用可行性的必要部分。

图10. 离子和溶剂响应。(a)Na⁺/冠醚调控；(b)乳液与滤液；(c)表面活性剂影响；(d)油包水；(e)水包油分离；(f)GO-PIL；(g)织物复合；(h、i)不同反离子润湿；(j)离子交换；(k)修饰/脱附切换；(l)水、乙醇处理引起的润湿变化。

图11a通过共聚与静电纺丝构筑PBHDN/PAN膜，引入可对pH及温度响应的单元。图11b展示酸碱条件切换后的透油或透水模式，图11c进一步记录油—水—油三相体系的连续分离；图11d以两层分别受温度与pH调节的膜构成“与”逻辑门，只有满足组合条件时液体才能通过，说明多信号可以参与分离程序设计。

图11e将金纳米棒、温敏聚合物与单壁碳纳米管超薄膜结合，利用光热转化调节输运速度；图11f对照关灯、开灯条件下的滤液，体现光与热的耦合作用。图11g进一步在纤维素复合膜中引入温敏聚合物及Fe₃O₄，图11h验证温度和pH切换的重复性，图11i说明不同条件下分离行为的改变。多响应设计能够提高适应性，但也要求厘清不同刺激的作用顺序与相互影响。

图11. 多响应分离。(a)PBHDN/PAN制备；(b)pH切换；(c)三相连续分离；(d)温度/pH“与”门；(e)光热温敏薄膜；(f)光照开关滤液；(g)纤维素复合膜；(h)循环润湿；(i)pH与温度调节分离。

III 智能响应润湿材料的制备方法

图14. 智能响应润湿材料的结构耐久、制备放大挑战与自修复、连续制造及智能系统发展方向。

油水分离技术的发展体现了分离机制从宏观力场向微观界面的转变，也体现了功能从单一模式向多模式的扩展。这一过程由依赖密度差的重力沉降等被动物理分离，发展到通过离心、聚并等外部能量强化分离，再借助仿生超润湿材料实现界面化学调控。智能润湿材料进一步使固定性能的被动工具转变为能够感知pH、温度等环境信号并动态切换润湿性的主动平台，从而实现自适应分离和自清洁。围绕这一转变，本文梳理润湿理论与油水分离机制，比较四类特殊润湿材料，并深入讨论温度、pH、光、电、气体、离子、溶剂和多响应八类材料的机制、优势与局限，同时比较逐层自组装、静电纺丝及表面引发原子转移自由基聚合等关键制备方法。

尽管实验室研究取得显著进展，实际应用仍面临三项核心挑战：微纳米结构在复杂环境中易受损，响应可逆性会随时间下降；现有制备方法往往成本较高、环境负担较重且难以放大；单一刺激响应不足以适应工业废水的动态复杂性。近期研究已从尺度、环境耐受性和真实废水验证等方面展开探索。例如，面积达3600 cm²的CO₂响应膜推动了材料尺度放大，硅藻土涂层通过盐雾、人工海水和紫外老化测试评估了模拟海洋环境耐久性，多功能膜则在实际印染废水中实现99.9%的分离效率和97.6%的染料去除率。然而，现场中试与长期运行验证仍是产业化前需要跨越的障碍。

未来首先应构筑可自修复微纳米结构，探索无氟低表面能修饰，并引入多响应基团实现协同调控，发展低成本、高耐久材料。其次，应发展无溶剂或水相合成，借助卷对卷涂布、3D打印等连续生产技术，并使用生物质废弃物等可再生资源开发生物基材料，推动绿色制造与规模化生产。

人工智能的深度结合也有望推进材料发展。建立润湿性数据库与实验预测模型，可加快目标分子结构及微纳米构型筛选；将微型传感器与算法结合，可实时监测水质、油滴尺寸和膜污染，动态优化分离模式，构成感知与自适应调控闭环；跨尺度过程模型则可模拟复杂油水体系的输运与分离，为工业装置设计提供理论依据。智能响应润湿材料正在由静态向动态、由单响应向多响应、由被动向智能调节发展，围绕材料性能、制备工艺和智能技术持续开展基础研究与应用协同，有望推动其从实验室走向实际水处理应用。