合工大从怀萍、秦海利/中科大俞书宏院士合作AFM：Janus双层薄膜的自调节共组装，用于实时光热成像和监测！

光热成像技术通过将吸收的光能转化为热能来生成图像对比度，在医学诊断、材料科学和环境监测中展现出巨大潜力。二维超薄光热薄膜因其可调的光学特性、可控的热生成能力以及与多种成像模式的兼容性，成为提升成像能力的理想材料。然而，要实现高对比度、高分辨率和灵敏度的成像性能，必须精确调控薄膜的热生成和热扩散过程。当前技术面临多重挑战：如何在保证高效光热转换的同时实现热量的快速均匀扩散以提升空间分辨率；如何赋予薄膜宽工作温度范围、自修复和可回收等可持续性能以满足实际应用需求。这些瓶颈严重制约了该技术在动态监测等复杂场景中的应用。

合肥工业大学从怀萍教授、秦海利副教授研究团队与中国科学技术大学俞书宏院士团队合作，开发出一种基于三相界面自调控共组装策略的柔性大面积Janus双层薄膜。该薄膜由排列整齐的银纳米线（AgNW）单层和紧密堆积的金纳米颗粒@聚甲基丙烯酸甲酯（Au@PMMA）单层构成，具有显著的电导率和润湿性各向异性。通过金-硫醇配位（Au-SR）和范德华力等可逆相互作用，薄膜在-200°C至300°C的极端温度下仍保持优异机械性能，并具备自修复和可回收特性。在近红外（NIR）照射下，其光热响应时间小于1秒，稳态温度超过60°C，大幅提升了光热成像的对比度和分辨率，为高质量实时监测静动态物体提供了新方案。相关论文以“Self-Regulated Co-Assembly of Janus Bilayer Films for Real-Time Photothermal Imaging and Monitoring”为题，发表在Advanced Functional Materials上。

图1揭示了薄膜的精密组装机制。研究人员首先开发了新型纳米引发剂MMMP，通过Au-SR配位锚定在金纳米颗粒（AuNPs）表面，在可见光诱导下引发甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合，形成Au@PMMA核壳纳米球（SPNAP）。随后，在水/二氯甲烷/空气三相界面，Marangoni力和毛细作用驱动SPNAP与PVP包覆的银纳米线（AgNWs）自发组装：SPNAP在空气/水界面形成紧密堆积的单层，而AgNWs则在SPNAP层下方平行排列，形成双层结构。近红外光进一步触发层间动态金属配位重构，实现界面强化（图1a-d）。

图1 柔性双层Janus膜的自调控共组装 a) 等离子体Au@PMMA制备示意图。通过Au-SR配位将MMMP分子特异性修饰于金纳米颗粒表面，制备新型纳米引发剂。Au@MMMP尺寸由MMA单体加入量控制。 b) 在马兰戈尼力与毛细作用驱动下的自调控共组装过程示意图。两种构筑单元为单分散AgNWs和源自有机凝胶的Au@MMMP纳米复合材料。 c) 连续制备双层Janus膜示意图。结合贵金属纳米结构优异的光热性能，Janus膜层间可通过近红外光照射实现焊接强化。 d) 由SPNAP单层与定向排列AgNW单层构成的双层Janus膜结构示意图。

图2展示了薄膜独特的表面特性与电学性能。所得Janus薄膜超薄（约180 nm）、透明（可见光透射率>85%）且柔性优异，可折叠成复杂形状（图2a）。其两面呈现不对称润湿性（AgNW侧接触角≈88°，SPNAP侧≈37°），AgNW侧亲水性使其能紧密贴合皮肤（粘附强度达102 kPa），适用于表皮传感器（图2b,c）。扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）证实AgNWs高度有序排列（图2d-g）。电学测试显示，沿纳米线方向导电性显著，而垂直方向几乎不导电，导电原子力显微镜（c-AFM）证实了准一维电子传输通道的存在（图2h-k）。

图2 Janus SPNAP/AgNW膜的表面结构与各向异性导电性 a) 透明柔性Janus膜折叠成纸飞机形状的光学照片 b) 材料化学结构及Janus膜两侧接触角测试图像（AgNW侧≈88°，SPNAP侧≈37°） c) Janus膜贴附皮肤的光学图像 d) AgNWs有序组装的SEM图像 e) 膜厚180 nm的AFM图像 f,g) AFM图像及对应高度剖面证明表面AgNWs紧密定向排列 h) Janus膜各向异性导电性测试示意图 i) 不同AgNW含量薄膜的电流-电位曲线（电流方向平行/垂直于纳米线），插图为通电发光状态 j,k) c-AFM图像及电流剖面证明AgNWs组装形成准一维电子通道

图3阐明了动态界面重构赋予的多功能性。近红外照射触发Au/Ag-SR配位转换（拉曼峰从244 cm⁻¹红移至240 cm⁻¹），使层间弹性模量从52 GPa提升至108 GPa（图3a-c）。擦拭实验证明NIR处理显著增强AgNWs界面粘附（图3d）。这种强化使薄膜在180°弯曲变形下电阻变化（ΔR/R0）可忽略不计，且在-200°C至300°C极端温度下保持电机械稳定性（图3e,f）。损伤的薄膜可通过NIR照射在3秒内实现自愈合（图3g）。此外，利用组分在不同溶剂中的分散性差异，薄膜可分离回收并重新组装，再生薄膜仍保留90%以上的力学性能（图3h,i）。

图3 动态金属配位诱导表面重构 a) 近红外光辅助层间表面重构示意图 b) 近红外照射前后薄膜拉曼光谱（特征峰244→240 cm⁻¹） c) 纳米压痕深度-力曲线（模量52→108 GPa） d) 近红外处理后层间界面增强的SEM图像 e) 180°弯曲循环中电阻变化率(ΔR/R₀)对比 f) -200~300°C温域内ΔR/R₀变化曲线 g) 近红外光3秒内实现自愈合的显微图像 h) Janus膜回收流程示意图 i) 原始膜与再生膜的拉伸应力-应变曲线

卓越的光热转换与成像应用

图4凸显了结构设计对性能的关键作用。AgNWs的定向组装与SPNAP的等离子体超结构协同作用，实现了高效光热转换与快速热扩散（图4a,b）。在980 nm NIR照射（1 W）下，薄膜温度1秒内骤升60°C，关闭光源后以同样速率冷却，性能远超顺序沉积（Janus-SD）或混合（Mix）对照组（图4c,d）。薄膜对NIR功率变化响应灵敏（0.5~1.5 W），电阻变化与温度同步，证实其作为光学传感器的可靠性（图4e-g）。

图4 SPNAP/AgNW Janus膜光热转换性能 a) 光热响应机制：(i) AgNWs与SPNAPs组装结构在近红外下协同产热，AgNW二维结构作为高效热导体实现快速传热；(ii) 关闭光源后热能基于高导热性快速耗散 b) 近红外激光照射10秒(980nm, 0.5W)的红外热成像图 c,d) Janus膜与对照组(顺序沉积Janus-SD/混合膜Mix)在1W近红外下的升温/降温曲线 e) 不同波长/功率近红外照射下的温度响应曲线 f) 0.5-1.0W功率照射对应的ΔR/R₀变化 g) 五轮不同波长/功率照射循环的稳定性测试

图5-6验证了高分辨率成像能力。薄膜可清晰分辨300 μm纤维轮廓（D₁/Dₘ=1.08@1000μm）及500 μm微孔结构（图5a-k）。在实时监测实验中，Janus薄膜对静态三角形空腔（3 mm）成像边缘清晰且无畸变，而各向同性薄膜图像模糊变形（图6a-c）。得益于超快冷却特性，薄膜可精准追踪以1 mm/s移动的矩形目标，动态成像尺度与实物一致，而对照组出现严重拖影（图6d-f）。

图5 Janus膜光热成像应用 a) 纤维结构光热成像实验设计 b) 300-1000μm直径纤维的显微/NIR成像对比 c) 成像尺寸比(D₁/Dₘ)随纤维直径变化曲线 d) 方形图案(1000×1000μm)成像系统 e) 不同近红外功率(0.4-1.0W)的成像清晰度演变 f) 多孔结构成像原理图 g) 方孔结构(700×700μm)显微图像 h) 对应光热成像图（粉→绿：低温→高温） i) 两条特征线(白线L1/红线L2)的温度分布曲线 j) 不同尺寸/角度三角形孔结构的成像对比 k) 图j(iv)中虚线的温度梯度曲线（400μm温升35°C）

图6 静动态物体实时监测 a) 三角形空腔(3mm)光热成像系统 b,c) Janus膜与各向同性膜对静态物体的时序成像对比 d) 移动物体监测示意图 e,f) Janus膜与各向同性膜对1mm/s移动矩形目标的成像追踪对比

应用前景

该研究通过三相界面自调控共组装策略，创制出兼具高光热灵敏度、宽温域稳定性、自修复与可回收特性的Janus双层薄膜。其突破性的亚秒级热响应和动态成像能力，为生物医学实时监测、环境传感及智能机器人视觉系统提供了革新性平台。这项技术不仅解决了光热成像中热管理的关键难题，也为设计多功能可持续薄膜材料开辟了新范式。

来源：高分子科学前沿

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