晶体也能集水？吉林大学张红雨、蓝林峰等JACS：揭示Janus晶体如何高效集水与自感知！

日前，吉林大学张红雨教授与蓝林峰博士联合纽约大学阿布扎比分校Panče Naumov教授团队，创造性地开发出一种新型的Janus结构晶体，通过逐层组装策略，部分硅烷化的柔性有机晶体能够高效收集高湿度空气中的水分并将其凝结为液态水，同时利用晶体-水滴界面的折射率差异，通过自波导实时动态监测水收集过程。这项研究以题为"Efficient Aerial Water Harvesting with Self-Sensing Dynamic Janus Crystals"的论文发表在《JACS》，为水汽捕集技术的进一步发展提供了新的视角。

Janus晶体的创新设计

在这项工作中，Janus型晶体的独特之处在于其表面功能的分离设计。沿柔性分子晶体的最长轴部分修饰聚合物层后，形成了具有不同物理和化学特性的“Janus晶体”，类似于具有两面特性的其他材料（如纳米颗粒）。与原始晶体和全组装的复合晶体相比，Janus晶体表现出独特的特征组合：(1) 一端的聚合物层表面含有大量亲水氨基，促进水捕获和凝结，并通过疏水硅烷链促进液滴聚集；(2)另一端的晶体表面的滑动角和接触角迟滞均小于聚合物层，有利于液态水的输送，便于继续收集。（3）液滴和晶体之间的接触边界效应导致实际附着角大于测量的静态接触角(大约25°)，增强了液滴的流动性。此设计使各种Janus晶体能够从高湿度环境中有效捕获水汽，并实现持续的水收集。

图1. 集水有机杂化晶体的结构特征。(a) 柔性分子晶体的化学结构和光学照片；(b) 杂化晶体的层状组成示意图；(c) Janus晶体集水自监测示意图

图2. 杂化晶体的表面性质和润湿性。(a-c)晶体不同结构表面存在水滴 (4 μL)的光学照片；(d, e) 水滴在原始晶体和杂化晶体表面的滑动；(f, g) 原始晶体和杂化晶体的静态接触角、滑动角和接触角滞后的对比；(h, i) 原始晶体和杂化晶体表面水捕获和蒸发过程的显微照片。

高效集水性能

通过使用定制的集雾系统，研究人员评估了不同结构和尺寸对集水性能的影响。与原始晶体和全修饰晶体相比，Janus晶体的集水效率从1.82和7.75 g cm⁻² h⁻¹提升至13.63 g cm⁻² h⁻¹。并且为解决较大尺寸Janus晶体集水率下降的问题，通过合理调节晶体宽度，在150微米时集水效率达到15.96±0.63 g cm⁻² h⁻¹，超越了以往所有的水汽捕集材料(80–95% RH)，接近当前记录保持材料的性能(图3f)。此外，作者还进一步探索水汽捕集中可能的集体效应，在相对湿度约85% RH环境下，总面积约为1.76 cm²的60根Janus晶体在8小时内收集了42.679 g水。这里描述的Janus晶体具有制备简单、成本低的优点，并且在长时间使用后仍能保持高效集水性能。

图3. 雾收集性能。(a) 不同结构晶体捕获水汽的示意图。(b, c) 全涂层晶体在123 s内的雾收集过程快照以及水滴数量和平均大小的周期性变化。(d) 不同结构晶体集水效率对比。(e) 不同相对湿度环境下Janus晶体的集水性能。(f) Janus晶体与其他报道材料集水性能的比较。

自传感监测

考虑到Janus晶体保持光学传输特性，作者进一步研究了水凝聚对晶体光波导轮廓的影响。当晶体一端被激发产生荧光并在内部传输时，光的全反射需要满足以下两个条件：(1) 传输介质的折射率需高于周围介质；(2) 入射角需大于临界角(θc)。对于空气介质（折射率n = 1.0），入射角大于38.7°时晶体（n ≈ 1.6）被激发时光在内部发生全反射；而水滴（n = 1.3）使晶体发生全内反射表面的临界角增大至56.2°，导致晶体-液滴界面处发生部分光解耦。集水过程中，晶体表面水的聚集演化对光波导信号有显著影响，每个液滴都充当了一个光消散门从而增大光损耗。液滴的聚结、滑动和脱离反映了集水过程的周期性循环变化（图6c）。水收集元件还能够通过晶体的弹性变形来动态输送水，并且它们的高光学透明度允许通过在晶体-液滴界面外偶联的被动或主动转导光的变形调制来实时监测周期性的水收集过程。研究结果有望推动更复杂的水汽收集方法发展，通过将光学透明晶体的水捕获与自感知能力相结合，实现持续优化的操作，以最大限度地提高空中水捕获的成本效益。

图4. 动态集水监测。(a) Janus晶体在主动和被动模式下光学监测集水过程示意图；(b) Janus晶体在集水过程中的二维光强图；(c) 被动和主动转导信号比(I/I₀)随时间的变化；(d, e) 柔性晶体动态集水过程示意图和光学叠加图像。(f-g) 在集水过程中不同时间点晶体尖端和水滴处的波导信号演变。

作者还发现，通过引入两个新的相边界，晶体表面的水滴能够部分恢复由于晶体表面损坏而导致的光泄漏，或者通过倏逝波来耦合两个弯曲晶体折射的光(充当光学换能器)。虽然耦合比只有1%左右，但这些结果表明水滴能够重新定向或部分恢复光学传感信号。

小结

研究者通过引入具备集水和运水双重功能的新型晶体，实现了集水效率的新突破。表面改性的柔性Janus晶体能够持续捕获水蒸气、转导和输送液态水，同时实现动态循环操作。晶体的光学透明性还提供了实时光学监控的手段，突出其在接触界面上被动或主动传导光信号的能力，从而调节光信号的强度。这一新方法旨在促使水汽收集从静态向动态模式的转变，以优化操作流程，并最大限度地提高水收集效率。