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中國科學家成果登上《Nature》封面!荷葉出淤泥而不染的“續篇”來了
發布日期:2020/6/11 15:34:08  來源:科技日報微信公眾號  

為什么水蜘蛛可以在水上行走?為什么荷葉“出淤泥而不染”?為什么蝴蝶的翅膀不會被打濕?其實,這些都與動植物“身體”表面的超疏水性有關系。

受上述自然現象的啟發,人們逐漸掌握了制備超疏水材料以實現自清潔的“秘密”——其對水具有極好的排斥性,水滴在其表面無法鋪展而保持球狀且極易滾動,滾動過程中可以帶走表面塵埃,從而達到自清潔效果。


但是,這種超疏水材料表面結構十分脆弱,難以實現廣泛應用。如何給超疏水材料表面“披上”堅固“鎧甲”?未來這種新型表面會有哪些應用?記者6月8日從電子科技大學獲悉,日前《自然》雜志封面發表了該校基礎與前沿研究院鄧旭教授團隊最新科研成果,該篇名為《設計堅固的超疏水表面》的論文提出,通過為超疏水表面“穿上”具有優良機械穩定性微結構“鎧甲”的方式,解決了超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。

    “超疏水性vs機械穩定性”魚和熊掌能否兼得?


荷葉為何“出淤泥而不染”?這是因為荷葉上的灰塵和污垢很容易被露珠和雨水帶走,從而保持表面的清潔。近年來,源于動植物仿生學的超疏水材料由于其獨特的物理性質,在表面自清潔、生物防污、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出了巨大應用潛力。


在我國,以江雷院士團隊為代表的廣大研究群體在固液界面材料研究領域建立了堅實的理論和應用基礎,并取得了豐碩的研究成果。


“然而,由于需要借助微納米粗糙結構,超疏水材料更易磨損破碎。”論文第一作者、電子科大基礎與前沿研究院博士生王德輝說,這種磨損也會暴露底層材料,改變表面局部化學性質,使其從疏水性變成親水性,導致水滴釘扎。


“通常,傳統的材料表面一旦引入超疏水性后,它的抗磨損性能就不會太好。”他說,比如輕微觸碰、沙塵暴襲擊等都可能導致其超疏水性能“失效”。因此,如何保證材料表面既有良好超疏水性,又兼具較強機械穩定性,是當前超疏水材料走入實際應用領域亟須解決的關建難題。


“根據已有科學研究,人們認為材料表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性。”王德輝說,這是因為通過減少接觸面積的方式來增強疏水性的同時,也會導致微/納米結構承受更高的局部壓強,從而更易磨損。“這就意味著超疏水性和機械穩定性在提高一種性能時必然導致另一種性能下降。”


    超疏水表面如何加固?拆分優化設計出“微結構鎧甲”


那么,該如何給機械性能較弱的超疏水材料表面裝上“鎧甲”,實現同一材料表面的機械穩定性與超疏水性能雙重疊加呢?


“一方面,要實現機械穩定性需在更大的結構尺度進行幾何設計;另一方面,若想獲得更好的超疏水性則要在納米尺度進行結構優化。”王德輝說,按照常規思路,很難在同一尺度實現上述兩種性能的兼容。


能不能試試拆分處理呢?論文通訊作者、電子科技大學基礎與前沿研究院鄧旭教授及其團隊提出了新的實驗設想:即通過“去耦合機制”將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,再利用微結構給超疏水納米材料提供堅固“鎧甲”以防止磨損。


“微結構就是做到微米乃至更宏觀級別,比較耐磨耐用,僅提供機械穩定性保護納米材料免遭磨損;而被保護的納米結構則主要承擔超疏水性。”王德輝說,這樣通過優化設計后制備的微結構“鎧甲”就可以很好保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損,從而構筑出鎧甲化超疏水表面。


在實驗過程中,該團隊通過結合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結構設計原則,同時利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術將鎧甲結構制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面,與超疏水納米材料復合構建出具有優良機械穩定性的鎧甲化超疏水表面。


這種微細加工技術要精確到何種程度呢?“提供機械性能,微米級就夠了。”王德輝說,一般情況下,在微米級結構上,尺度越大,對摩擦磨損越不敏感。


    新技術已用于自清潔太陽能電池


記者了解到,目前研究人員已經將這種新型超疏水材料表面應用于太陽能電池蓋板。


王德輝說,新材料通過表面依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式,將為少雨地區提供自清潔太陽能電池的解決方案。“此外,基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術還可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染,長期維持太陽能電池高效的能量轉換,并節省傳統清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。”他說。


王德輝說,團隊還發現該新型超疏水材料還兼具了耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能。此外,新材料還實現了玻璃鎧甲化表面的高透光率,這也將為該表面應用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創造條件。


“如何才能讓酸奶干干凈凈地倒出來?軍艦、輪船等船體上如何減少貝殼等生物黏附?如何才能使機翼、軍艦、高壓輸電設備防凍防結冰?超疏水表面的用途十分廣泛。”王德輝說,該論文展示了鎧甲化超疏表面非凡的應用潛力,必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。(陳振鵬 盛利)


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