超疏水表面
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時間：2021-07-15
超疏水表面的實(shí)例教程
超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內(nèi)部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當(dāng)?shù)?em>表面能材料具有微觀粗糙結(jié)構(gòu)時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態(tài)。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應(yīng)”。20 世紀(jì)90 年代，德國植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結(jié)構(gòu)，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質(zhì)，這種微-納米級的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導(dǎo)致水滴極易滾落。
因?yàn)樗卧?em>超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
荷葉表面除具有超疏水特性——“荷葉效應(yīng)”之外，還呈現(xiàn)荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進(jìn)行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構(gòu)筑，目前研究開展的還相對較少。
近日，一個土耳其-德國聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機(jī)微納顆粒（粒徑范圍從數(shù)納米到數(shù)十微米），簡便構(gòu)筑了具有超疏水/親水顯著潤濕性差異的Janus紙。這種紙具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性，同時保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應(yīng)用前景。
Janus紙構(gòu)筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實(shí)驗(yàn)室工程棉濾紙為基底材料，PDMS、硅納米顆粒以及玻璃微球混合均勻后采用噴涂技術(shù)涂覆到基底表面，經(jīng)過120 ℃加熱交聯(lián)處理后PDMS共價接枝到濾紙表面。該側(cè)濾紙表面呈現(xiàn)出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機(jī)顆粒（20?
展開 液滴為什么會彈跳
相信在大部分人的直觀印象里，液滴撞擊到物體表面都會快速鋪展開，然后潤濕該表面。但如果你生活中細(xì)心觀察的話，會發(fā)現(xiàn)在洗桃子這種表面有絨毛的水果時，水滴滴落在表面會快速彈開，其實(shí)桃子帶有絨毛的表面就可以理解為超疏水表面，而這種現(xiàn)象就可以理解為液滴彈跳現(xiàn)象（圖 1）。
圖 1 超疏水表面液滴彈跳現(xiàn)象
那為什么會產(chǎn)生這種反直覺的現(xiàn)象呢？可以從能量轉(zhuǎn)化的角度思考一下：
液滴在碰撞表面前具有一定的動能，碰撞之后，液滴鋪展開，表面積增大，動能一部分轉(zhuǎn)化為表面能，另一部分轉(zhuǎn)化為粘性耗散。之后，液滴在表面張力作用下收縮，表面能減小，轉(zhuǎn)化為動能，液滴重新從表面彈起。
這里需要說明一下流體力學(xué)研究中常用到的無量綱參數(shù)韋伯?dāng)?shù)（We）和雷諾數(shù)（Re）:
其中，ρ是液體密度，l是特征長度，v是流速，σ是表面張力系數(shù)，μ是粘度。
韋伯?dāng)?shù)的含義是慣性力/表面張力，We越小，表面張力影響越顯著，因此液滴直徑和撞擊速度不能過大。雷諾數(shù)的含義是慣性力/粘性力，Re越小，粘性力主導(dǎo)，層流流動。
一般在液滴彈跳研究中，Re小于100，粘性耗散可以忽略，因此只需關(guān)注We。
以下將分別介紹三種特殊的彈跳行為：餅狀彈跳、蹦床彈跳及旋轉(zhuǎn)彈跳。
2.“餅狀”彈跳 (pancake bouncing)
香港城市大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)針對pancake bouncing開展了深入的研究，于2014和2015年陸續(xù)在Nature Physics上發(fā)表了相關(guān)成果[1]。研究發(fā)現(xiàn)，針對針狀超疏水表面，傳統(tǒng)的液滴彈跳行為主要包含四個階段：撞擊、鋪展、收縮、彈跳。然而，在We>12.6時，液滴在鋪展后會直接從表面彈起，省略了收縮階段。
展開 表面的潤濕性質(zhì)是材料實(shí)際應(yīng)用的重要考量，也是表面科學(xué)的研究熱點(diǎn)。源于對自然界特殊潤濕現(xiàn)象的認(rèn)識，比如荷葉的自清潔特性，科學(xué)界長期致力于合成材料特殊潤濕性質(zhì)的研究。超疏水表面是一類對水這類高張力液體具有極端排斥性的表面，比如水滴在荷葉表面能夠自如滾動，但是這類表面對具有低表面張力的有機(jī)試劑卻表現(xiàn)出較差的排斥性。這種易被油污沾染的不足嚴(yán)重限制了超疏水表面的實(shí)際應(yīng)用。
湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院蔣健暉、徐偉箭教授課題組和澳大利亞墨爾本大學(xué)Frank Caruso教授課題組合作開展了該領(lǐng)域的相關(guān)研究，并取得了新進(jìn)展，開發(fā)了一種制備超級抗?jié)櫇裥约{米涂層的通用方法。
圖為超疏表面及其潤濕性表征
該納米涂層具有多級粗糙性凹角結(jié)構(gòu)和抗粘附性表面化學(xué)，對100多種液體表現(xiàn)出超強(qiáng)的排斥性，比如濃硫酸能夠在涂層表面滾落且不腐蝕表面，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)防護(hù)特性。同時，該涂層還具有可調(diào)控的透明性、外力耐受性和智能響應(yīng)性。該工作對抗?jié)櫇裥?em>表面的設(shè)計與應(yīng)用提供了重要的參考，以期能夠促進(jìn)表面科學(xué)的發(fā)展。
圖為超疏表面的響應(yīng)性表征
相關(guān)工作也于近期發(fā)表在材料領(lǐng)域頂尖期刊《Nature Materials》上（2018，DOI: 10.1038/s41563-018-0178-2），受到了Chemical & Engineering News的報道，得到了國際同行的認(rèn)可。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0178-2
論文第一作者為博士潘帥軍和在讀博士郭瑞。
展開 沖洗著淤泥，顯微鏡下超疏水材料的表面結(jié)構(gòu)很粗糙，包上有包。不只是荷花上有，昆蟲的足上也有比如水黽，蚊子都能在水上行走而不劃破水面這就是因?yàn)槠渖厦娴?em>超疏水材料。超疏水材料有很大的發(fā)展前景：首先，可以自行清潔需要干凈的地方；還可以放在金屬表面防止水的腐蝕生銹；第三，基于對昆蟲的研究我們還可以使水上飛行成為可能，在船的表面加上超疏水膜減小阻力節(jié)省能源。有水就有油，超疏油的存在可以用于石油的分離，減少原油損失，而且可以用于石油輸送管道，使石油最大限度的使用，此外還可以放在排風(fēng)扇表面，保持其潔凈。
在表面防腐等技術(shù)研究中，不可避免的面臨對表面的濕潤性的研究，而固體表面的潤濕性能由化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)共同決定∶（1）表面幾何結(jié)構(gòu)有重要影響：具有微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)的表面可以有效的提高疏(親)水表面的疏（親）水性能。（2）化學(xué)組成結(jié)構(gòu)是內(nèi)因：低表面自由能物質(zhì)如含硅、含氟可以得到疏水的效果。研究表明，光滑固體表面接觸角最大為120°左右。
這里，涉及到接觸角θ的概念，當(dāng) θ>90°時表現(xiàn)為疏水性質(zhì)，θ<90°時表現(xiàn)為親水性質(zhì)。θ<5°的表面稱之為超親水性表面；θ>150°的表面稱之為超疏水性表面。那么，我們?nèi)绾瓮ㄟ^ms實(shí)現(xiàn)對接觸角的計算呢？這就需要perl腳本的幫助。下面將分享接觸角計算腳本。
首先第一步是構(gòu)建符合我們實(shí)驗(yàn)要求的結(jié)構(gòu)，如下結(jié)構(gòu)：
可以看出，我們的結(jié)構(gòu)包含液相層和固相層，我們也就是要研究油滴在固相層上的接觸情況，在經(jīng)過動力學(xué)計算之后，我們獲得了體系的運(yùn)動軌跡文件。
展開 復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授課題組在原有基礎(chǔ)上將含偶氮線性液晶聚合物側(cè)鏈創(chuàng)新性地接入氟化烷基鏈，有效降低了材料表面能，并通過靜電紡絲技術(shù)將氟化后的液晶聚合物制備成具有多尺度微觀結(jié)構(gòu)的靜電紡絲墊，在不同紡絲液濃度下研究了光驅(qū)動性變形對材料表面潤濕行為的影響。用1%濃度氟化線性液晶聚合物（LLCP）溶液作為靜電紡絲液，制備的紡絲墊表現(xiàn)出優(yōu)秀的超疏水性，可通過光切換在材料表面實(shí)現(xiàn)微型水滴（3 uL）的操控。該研究為微量液體無損轉(zhuǎn)移等方面提供了指導(dǎo)性的思路。
當(dāng)液滴與材料表面之間接觸角接近0度（超親）或者大于150度（超疏）時，此類材料被稱為超浸潤材料。超浸潤材料表面的濕潤狀態(tài)往往由材料的化學(xué)組成和多尺度微觀結(jié)構(gòu)所影響。與無機(jī)材料（如TiO2）所制備的超浸潤表面相比，高分子材料具有成本低、易加工和柔軟性等特點(diǎn)。含偶氮液晶聚合物由于偶氮苯光異構(gòu)反應(yīng)協(xié)同液晶光化學(xué)相變引發(fā)的光致變形作用，能夠快速地改變材料偶極和形態(tài)，從而大幅度地改變材料表面潤濕行為，是制備超疏水智能表面的最佳候選材料群之一。在之前的研究中，復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授課題組開發(fā)了一類含偶氮線性液晶聚合物紡絲墊材料，具備良好的超疏水性和可加工性，可實(shí)現(xiàn)小水滴（5-9 uL）的無損轉(zhuǎn)移操控。當(dāng)水滴體積進(jìn)一步縮小時，小水滴會陷在材料表面的微結(jié)構(gòu)中，形成穩(wěn)定的Wenzel狀態(tài)，因此在微量液體操控方面仍存在挑戰(zhàn)。
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超疏水表面的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
超疏水表面的最新內(nèi)容
例如，含SA的硅納米晶體具有高孔隙率、光致發(fā)光、透明度和超疏水表面，這表明其作為高能材料傳感平臺的潛力。
(4)降低成本。SA- TIMs的制備通常是繁瑣且耗時的，而且大多數(shù)高質(zhì)量(塊狀、納米多孔、無裂紋等)的SA- TIMs只能借助超臨界干燥設(shè)備制備，這導(dǎo)致了高成本SA- TIMs。
2.可切換超疏/超親水智能表面的抗菌和抗細(xì)菌黏附性有何差異和關(guān)聯(lián)？
θ<5°的表面稱之為超親水性表面；θ>150°的表面稱之為超疏水性表面。那么，我們?nèi)绾瓮ㄟ^ms實(shí)現(xiàn)對接觸角的計算呢？這就需要perl腳本的幫助。下面將分享接觸角計算腳本。
通過打破浸潤性的對稱性來抑制Plateau-Rayleigh失穩(wěn)
作者在超疏水表面上構(gòu)筑了具有非對稱粘附力的親水圖案，以直線型圖案（LPW表面）和半圓形圖案（APW表面）為代表,并對比研究了超疏水表面（SHB表面）與這兩種表面上的液滴的回彈行為差異（圖1a-c）。
圖4 熱驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖5 光驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖6 磁驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
論文還總結(jié)了AMMs在各種領(lǐng)域的用途：有以爬行和游泳微型機(jī)器人為代表的智能機(jī)器人領(lǐng)域；包含微流控系統(tǒng)、微型驅(qū)動器、超疏水表面、柔性電池在內(nèi)的各種微型化系統(tǒng)；包括智能抗沖擊結(jié)構(gòu)
靜態(tài)潤濕狀態(tài)及典型生物特征
仿生制備超疏水表面，首先要對典型生物特征進(jìn)行分析，細(xì)致的觀察生物宏觀特性與微觀結(jié)構(gòu)特征之間的聯(lián)系，研究相應(yīng)的機(jī)理，對制備類似功能表面具有非常重要的意義。這方面的研究主要集中在2000-2010年，屬于超疏水相關(guān)早期研究。
自然界經(jīng)過上億年漫長的進(jìn)化過程，通過細(xì)胞的分化演化出了許多微觀上非常精密的結(jié)構(gòu)，使不同生物宏觀上表現(xiàn)出令人著迷的現(xiàn)象。
自然界中的Janus材料，比如荷葉，具有典型的不對稱潤濕性，它的上表面的是超疏水的，下表面是親水/水下超疏油的，使其在空氣中具有自清潔性，在水中具有防油污染的特性。
但如果你生活中細(xì)心觀察的話，會發(fā)現(xiàn)在洗桃子這種表面有絨毛的水果時，水滴滴落在表面會快速彈開，其實(shí)桃子帶有絨毛的表面就可以理解為超疏水表面，而這種現(xiàn)象就可以理解為液滴彈跳現(xiàn)象（圖 1）。
圖 1 超疏水表面液滴彈跳現(xiàn)象
那為什么會產(chǎn)生這種反直覺的現(xiàn)象呢？
近日，上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院胡松濤副教授課題組設(shè)計并制備了具備機(jī)械強(qiáng)度的柔性超疏水仿生微結(jié)構(gòu)，兼具抗液性與耐磨性，相關(guān)研究成果在機(jī)械裝備抗液防冰等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces
然而，液體在超疏液表面，如超疏水表面，超疏油表面，過熱表面的輸送十分困難，這大大降低了生產(chǎn)效率。
針對這一問題，香港大學(xué)王立秋講座教授團(tuán)隊(duì)通過給液滴包覆一層極薄的潤滑油來充當(dāng)阻尼器，形成包覆復(fù)合液滴，實(shí)現(xiàn)了液滴在多種超疏液表面（超疏水表面，超疏油表面，過熱表面）的高效輸送 （圖一）。
圖一.
