圖片來源：芝加哥大學(xué)

    如圖所示為雅努斯膜的正面掃描電子顯微圖像，分別在0.015、0.06和0.15秒下進(jìn)行曝光，并以150倍、200倍和300倍放大。在較高的曝光劑量、更大的放大倍數(shù)下，可以觀察到更快成核和伴隨保形生長的一般趨勢。該電子顯微鏡圖像是由芝加哥大學(xué)的Carl Zeiss Merlin SEM所拍攝。

    雅努斯膜取名來源于神話中擁有兩張面孔的神——雅努斯。它是一種雙面膜，作為兩種物質(zhì)之間的“守門人”，現(xiàn)已成為具有潛在工業(yè)用途的材料。然而，在這些脆弱表面上創(chuàng)造兩個(gè)截然不同的“面孔”卻是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過程。

    來自美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，以一種不同尋常的方式利用了一種常見的高科技制造技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)了一種新方法——可利用化學(xué)方法沉積第二張面孔，從而產(chǎn)生比以前更為堅(jiān)固、結(jié)構(gòu)更為精確的雅努斯膜。最近發(fā)表于“Advanced Materials Interfaces”（先進(jìn)材料界面）的一篇文章中介紹，該專利申請技術(shù)有助于優(yōu)化或?qū)崿F(xiàn)一系列的工業(yè)制造工藝，比如從處理廢水到制造生物燃料等復(fù)雜工藝。

    根據(jù)阿貢實(shí)驗(yàn)室Seth Darling的說法，雅努斯也是羅馬的通道之神。這使得“通道之神”這個(gè)名字更適用于那些標(biāo)記物質(zhì)邊界的薄膜，例如，將氣泡輸送到液體中或者分離油和水的薄膜。Darling是阿貢實(shí)驗(yàn)室納米材料中心的一名科學(xué)家，也是該實(shí)驗(yàn)室分子工程研究所（IME）的主任。IME是芝加哥大學(xué)分子工程研究所駐阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的合作伙伴。

    根據(jù)Darling的說法，關(guān)于雅努斯膜的研究是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室為向社會(huì)推進(jìn)“新型水循環(huán)”更多努力的一部分。其中，水在被釋放回環(huán)境之前將被盡可能多地處理和再利用。Darling指出，有一整套材料可用于制造新的雅努斯膜，每種材料都有不同的特性，可為無數(shù)新應(yīng)用提供幫助。

    一般來說，乳狀液膜在膜的一邊進(jìn)行化學(xué)處理，而不是在另一邊進(jìn)行化學(xué)處理。這使膜具有兩面性。但在涂層穩(wěn)定性和穿透深度上，利用目前的方法來控制涂層的添加是十分困難的。

    阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員轉(zhuǎn)向了原子層沉積技術(shù)（ALD），一種常用于微電子學(xué)和半導(dǎo)體制造的技術(shù)。他們試圖利用該技術(shù)改進(jìn)這一工藝。利用ALD技術(shù)，他們在防水的聚丙烯膜上沉積了一層具有吸水性的氧化鋁層，形成了一種穩(wěn)定的雙面膜，例如可用于水的小氣泡曝氣。

    通常，ALD的作用是將物體完全均勻地包裹起來，而不是將其部分包裹起來，這也是使用雅努斯膜的目的。

    Darling說：“這一策略不起作用。我們采用的方法是使用一種微孔薄膜。”

    這些微小的氣孔會(huì)將形成第一層氧化鋁的蒸汽封閉起來，然后才有機(jī)會(huì)完全穿透薄膜。通過改變氧化鋁應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間和壓力，研究小組能夠在膜的一側(cè)制造出一種強(qiáng)粘結(jié)涂層，其控制能力比其他任何技術(shù)都強(qiáng)。

    使雅努斯膜具有這種精度和穩(wěn)定性的能力可在各種工業(yè)過程中引入新的效率水平。例如，在廢水處理廠，使用曝氣來幫助分解污染物，優(yōu)化鼓泡過程可以減少能源消耗。經(jīng)改進(jìn)后的雅努斯膜還可以加速油-水混合物的乳化或破乳，這在各種制造工藝中都很重要。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室正在投資開發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)，例如具有先進(jìn)性能的材料和更為節(jié)能的制造工藝。

    這項(xiàng)技術(shù)最初似乎是由芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院的研究生Ruben Waldman所做的一項(xiàng)不成功的實(shí)驗(yàn)。Darling正在為Waldma的博士學(xué)位出謀劃策。

    Waldman正在調(diào)查ALD是如何影響雅努斯膜的。同時(shí)，他注意到：氧化鋁并沒有完全覆蓋膜的底部。在咨詢了雅努斯膜方面的專家Hao-Cheng Yang和與 Darling在CNM工作的博士后之后，Waldman決定看看這種單側(cè)沉積能否得到優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)雅努斯膜所需的部分分層。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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