电子科大64年来首提Nature封面,邓旭团队为超疏水表面披上「铠甲」
为什么有些生物能够浮在水面上?
白交 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
荷叶为何能「出淤泥而不染」?鸭子怎么能浮在水面上?水黾(mǐn)是怎么实现「水上漂」的?
自然界中实现这些,都有一个科学奥秘——超疏水表面。
听起来比较拗口!
但就拿出淤泥而不染的荷叶来说,表面上都是水珠,却从没有铺满浸润过。
这背后是荷叶表面——不亲水,与水疏离,被称之为该表面具有「疏水性」。
实际用途也很广。你看「荷叶」、「鸟的羽毛」就知道了。
干燥、自清洁、避免生物污染。
日常中的眼镜去雾功能,就是因为眼镜表面附着了一层「超疏水材料涂层」。
但是这种材料耐用性不强,易受磨损——或许有心人早已发现,你的眼镜没过多久就没办法去雾了。
然而,现在这个问题,被中国的研究团队一举解决,来自电子科技大学邓旭、王德辉团队的研究成果,还由此登上了最新Nature封面。
值得一提的是,这还是电子科技大学首次以「第一单位」的身份登顶Nature封面。
所以这究竟是一项怎样的研究?
疏水性与耐用性不能共生?
刚才所说,去雾化眼镜过不了多久就失效了,这就是材料疏水性和耐用性的共生痛点。
这也是此次电子科大团队的研究背景和出发点。
为什么疏水性跟耐用性不能共生?
首先,需要了解一个概念——接触角。
通常来讲,固-液接触,主要有三个表面,固-液表面、液-气表面、气-固表面。
而接触角则是固-液表面与气-液表面之间的夹角。
当接触角大于90度时,说明固液表面不润湿,也就是疏水性,相反则是亲水性。
接触角越大,就说明疏水性越强。
实际生活中,人们为了增强材料表面的疏水性,常用手段就是减少固-液接触。
但这样,只有固体表面只有一小部分面积与液体接触,那么粗糙的表面就会承受较高的机械负载的局部压力,从而导致它们碎而且极易磨损。
而且由于极易磨损,甚至还可能改变他们的表面性质,比如从疏水性变成亲水性。
于是,人们通常就假定它的表面的机械稳定性与疏水性是「相互排斥」表面性质。
就好像是「鱼和熊掌,不可兼得」。
这样也就给超疏水材料的应用带来了很多的局限,也是面对实际应用亟待解决的关键难题。
基于这个问题出发,研究团队就是设计了这么一个超疏水表面,可以让两种性质「和谐共生」。
那是怎么做到的呢?
怎么设计的?
这项研究的亮点主要在两个方面:
- 设计了一个可相互连接的表面框架微观结构,充当「铠甲」。其中包含「口袋」,装有高度疏水但机械脆弱的纳米结构。
- 将这种结构用于各种基材,包括硅、陶瓷、金属和透明玻璃,结果表明,即使在被砂纸和锋利的钢刀片磨耗后,所得超疏水表面的疏水性仍然得以保持。
其中最主要的核心就在于微观结构的设计。
采用的是「去耦合机制」。
通俗点来说,分工合作,干活不累。
将表面浸润性和机械稳定性拆分成两种不同的结构尺度,通过在两个结构尺度上分别进行最优设计。
你不耐用没关系,负责疏水性就好了,我来负责给你在外面给你加固。
△图1:微观结构设计
从设计的模型上看,纳米结构在受到磨损时,磨损物体可能插入纳米结构之间,从而对结构产生一定的损伤,而加入了微结构以后,这样的磨损也就有所减少。
△图2:微观结构的机械稳定性
微观结构是一组「倒金字塔空腔」微观阵列组成(如图2a,2b)。采用微压痕法跟柱形、金字塔形比较,倒金字塔形的硅基片表现出了良好的力学性能(如图2c)。
还将这种结构应用到了陶瓷、金属以及玻璃上,都产生了类似的结果。
△磨损后的疏水性
接着就对设计的超疏水表面进行疏水性以及机械稳定性的验证,发现两个性质能够很好的「共生」。
△超疏水表面的机械稳定性
实际测试
之后,他们还进行了实际的测试。
经过刀片、螺丝刀、砂纸、钢丝球的「摧残」都表现出了超疏水性和机械稳定性。
以玻璃为例,这样看可能更直观。
不仅能够经过刀片的磨损,磨损之后,还能表现出良好的疏水性。
还有它的「自清洁除尘」功能。
△雾气在粉尘污染的平面硅片(b)和设计的「铠甲」硅片的凝结情况(c)
特此注明:灰尘来自成都。
与此同时,这个设计结构还具有高透光率,可以为太阳能电池创建坚固、透明的自清洁面漆,从而节省了水资源、人力以及成本,为少雨地区提供了自清洁太阳能电池的解决方案。
团队介绍
本次研究是来自电子科技大学「胶体与界面中心」邓旭教授的课题组。
中心主要从事材料表面、物理化学、仿生材料等相关研究。
去年11月,邓旭教授曾获中国化学会颁发的「菁青化学新锐奖」。
而本次论文的「第一作者」——王德辉博士。
本科就读于四川农业大学应用化学专业,随后在陕西师范大学攻读材料科学的硕士学位。
2016年来到了电子科技大学的邓旭课题组攻读博士。
而当时他们或许难以预料,4年后,喜提Nature封面,还是电子科技大学的里程碑时刻。
所以,无论科研还是工作,梦想和追求还是要有的,万一努力之后就实现了呢!
论文链接:https://www.nature.com/nature/volumes/582/issues/7810
邓旭课题组:http://www.ccsi.uestc.edu.cn/
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