作者:李昶等 来源:《国际材料评论》 发布时间:2021/11/1 9:46:11
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荷花出淤泥为何不染?效仿自然界的超浸润策略

 

1000多年前,我国北宋诗人周敦颐指出荷花“出淤泥而不染,濯清莲而不妖”,最先描述了自然界的超浸润现象。200多年前,英国物理学家托马斯•杨提出了杨氏方程,最先定义了接触角,浸润研究启蒙。20年前,我国科学家江雷院士等人揭示了“荷叶效应”的奥秘,通过模仿其微纳米结构及表面化学性质,仿生制备了诸多超疏水、自清洁材料,仿生超浸润领域研究自此在以我国为首的全世界范围内兴起。

2021年10月30日,英国帝国理工学院的李明博士、李昶博士联合Bamber Blackman教授、Eduardo Saiz教授在International Materials Reviews上发表了题为“Mimicking Nature to Control Bio-Material Surface Wetting and Adhesion”的综述。文章系统介绍了相关仿生微纳米超浸润界面研究,涵盖研究发展历程(图1)、浸润性及粘附相关基础理论、自然界超浸润界面、仿生界面制备、人造智能超浸润界面策略、在各领域涉及的应用、展望。

图1:仿生超浸润研究的奠基及发展历程

该综述不仅系统介绍了空气环境中的超浸润研究,还涵盖水下环境的研究进展;对特殊微纳米结构上的浸润性、粘附性、液滴行为给出了新的总结、理解。文章主要包含以下3大看点:

1 自然界超浸润界面

仿生领域研究人员通过对自然界超浸润界面进行研究,模仿其微纳米结构、化学组成,以制备各种功能材料。图2对自然界超润界面进行了重新分类,每一种典型的表面均可代表一大类构建超浸润界面的策略。图2a-c为超疏水低粘附表面,液滴在表面上可自由滚动,其中图2a为荷叶上表面,其致密的微纳米乳突是超疏水的关键;图2b为猪笼草瓶口,微纳米结构分泌的油滑物质被认为是液滴低阻运动的关键;图2c为超疏水且超疏油的跳虫,其多尺度结构及化学组成导致其表面能超低。图2d-e为超疏水高粘附表面,液滴在表面呈现超疏水的球形但被牢牢地钉在表面上,其中图2d为玫瑰花瓣,其性质主要由于液滴接触其结构导致特殊的三相接触线;图2e为槐叶浮萍,其表面具有类似“打蛋器”的结构,打蛋器握柄端及整体结构超疏水,而顶端触手状结构亲水,导致液滴在其上超疏水但高粘附。图2f-h为各向异性表面,分别为蝴蝶翅膀、黑麦草、松针,液滴在表面的运动倾向具有方向性或单向性,主要由各自不同的非对称结构所致。图2i-l为水下超疏油表面,分别为荷叶下表面、贝壳表面、海藻、鲀鱼皮肤。

图2:自然界超浸润界面(a-h)空气中超浸润界面 (i-l)水下超浸润界面

2 仿生微纳米结构对液滴行为的影响

传统的Young氏方程和浸润基础理论可解释接触角与液滴行为的关系;Wenzel模型、Cassie模型等部分解释了粗糙度对接触角、液滴行为的影响,但未深入探讨粘附性和液滴行为,且相同粗糙度下不同微纳米结构会产生不同的液滴行为。对于微纳米超浸润界面而言,文章具体分析了典型的仿生微纳米结构上液滴的受力。图3a为微纳米沟槽、孔道等类似结构,可产生毛细压作用,竖直方向上可控制液滴的粘附;图3b为由锥形、尖角形、针状、刺状等具有锥度的结构,可产生拉普拉斯压差作用力;图3c为具有表面能梯度的结构,其中1和2 处具有不同的浸润性;图3d-f以斜角阵列为例,解释了非对称结构/各项异性结构上为何液滴运动倾向有方向性:液滴拟在两方向运动时会承受到不同大小的粘滞阻力。

图3:典型微纳米结构上液滴的受力、行为总结

3 仿生制备方法、人造智能界面策略的总结

文章列表总结了当前常见的仿生制备方法,分类为化学反应法(如水热、等离子体处理、原子转移自由基聚合、选择性催化等)、机械处理法、物理气相沉积法(如激光沉积、磁溅射、分子束外延)、流体相分离法(如涂层技术、呼吸图法、静电纺丝等)、结构整体制造法(如软复形法、3D打印)。这些方法通过模仿界面的微纳米结构或化学性质制备相应超浸润功能材料实现仿生。

文章还通过分析刺激响应控制液滴行为的相关研究,列表总结了操控表面液体浸润行为的策略,相关策略在空气中或水下的研究均有适用:调节界面粗糙度或微纳米结构;在表层构建一层润滑层或移除该润滑层;发生物理或化学反应改变界面的化学结构或组成;控制环境相从而控制液滴与环境相的相互作用。

此外,文章还列表总结了运用仿生超浸润界面操控液滴在各领域中的应用,除液滴操控自身领域的液滴传输、集水、微流控直接应用等,如图4所示,仿生超浸润界面的应用还涉及油水分离、自清洁、抗生物黏附/抗菌等医用、(金属)抗腐蚀、(轮船)减阻、防覆冰、(不粘锅)防油污涂层、能量转换(如纳米发电机、电池)等。文章还深入剖析了仿生超浸润界面在这些应用中的优势、挑战及未来研究发展方向。

图4:典型微纳米结构上液滴的受力、行为总结

文章最后指出自然界仍有诸多有趣的浸润现象和神奇的功能界面可供探索和模仿,一些特殊的超浸润行为仍存在未解之谜,相关基础研究的探索及对于机理的研究、总结仍十分重要。仿生基础研究不但可以为界面材料的实际应用打下坚实的理论基础,而且有助于发散思维找到更多全新的潜在应用。本文的通讯作者为李昶博士和EduardoSaiz教授,文章致谢部分提及对江雷院士在该工作中的指导与建议的感谢。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1995112

 
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