超疏水材料
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-05
超疏水材料的實例教程
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（材料表面分子比內部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時，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。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應”。20 世紀90 年代，德國植物學家波恩大學Barthlott等揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落。
因為水滴在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”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
近日，一個土耳其-德國聯合研究團隊以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機微納顆粒（粒徑范圍從數納米到數十微米），簡便構筑了具有超疏水/親水顯著潤濕性差異的Janus紙。這種紙具有優異的化學穩定性、機械穩定性和柔韌性，同時保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應用前景。
Janus紙構筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實驗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涂覆到基底表面，經過120 ℃加熱交聯處理后PDMS共價接枝到濾紙表面。該側濾紙表面呈現出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機顆粒（20?
展開 由于極強的斥水能力，超疏水材料已經被廣泛地應用于表面自清潔，水油分離以及抗腐蝕等多種領域。隨著超疏水材料的不斷發展，復雜的使用環境對其提出了更多功能性要求，如對外界環境的感知，對水滴的黏附力可控等等。然而，由于目前制備超疏水材料的原料多為高分子化合物（聚二甲基硅氧烷，聚丙烯等）或無機氧化物（二氧化鈦，氧化鋅等），這些原料多數并不能提供實現超疏水材料多功能的基礎性質。因此，如何制備智能超疏水材料仍然是超疏水領域所面臨的一個重大挑戰。
近日，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所王榮國教授團隊利用自組裝技術和沸騰浸泡的方法研制出一種對水滴具有可控黏附性的聚丙烯/石墨烯超疏水材料。更為重要的是，該材料能夠通過自身電阻的變化實現對下落水滴的感知。這種智能超疏水材料有望被應用于微液滴無損運輸和感知外界雨滴。相關研究成果以“A self-sensing, superhydrophobic, heterogeneous graphene network with controllable adhesion behavior”為題發表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A 期刊上，并被評選為2018 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers。該論文第一作者為丁國民博士，矯維成教授為通訊作者。
圖1 具有不同聚丙烯涂層量的聚丙烯/石墨烯材料的形貌
該項研究以具有開孔微球結構的石墨烯網絡為基底，利用沸騰浸泡的方法將聚丙烯涂覆在石墨烯基底表面。并且通過控制浸泡時間制備出了表面具有不同聚丙烯涂層量的材料。
圖2 不同聚丙烯/石墨烯材料的超疏水性，對水滴的黏附性及其在微量水滴定向無損運輸方面的應用。
展開 沖洗著淤泥，顯微鏡下超疏水材料的表面結構很粗糙，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為其上面的超疏水材料。超疏水材料有很大的發展前景：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扇表面，保持其潔凈。
在表面防腐等技術研究中，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組成和微觀結構共同決定∶（1）表面幾何結構有重要影響：具有微細粗糙結構的表面可以有效的提高疏(親)水表面的疏（親）水性能。（2）化學組成結構是內因：低表面自由能物質如含硅、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 θ>90°時表現為疏水性質，θ<90°時表現為親水性質。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，我們如何通過ms實現對接觸角的計算呢？這就需要perl腳本的幫助。下面將分享接觸角計算腳本。
首先第一步是構建符合我們實驗要求的結構，如下結構：
可以看出，我們的結構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，在經過動力學計算之后，我們獲得了體系的運動軌跡文件。
展開 復旦大學俞燕蕾教授課題組在原有基礎上將含偶氮線性液晶聚合物側鏈創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將氟化后的液晶聚合物制備成具有多尺度微觀結構的靜電紡絲墊，在不同紡絲液濃度下研究了光驅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，制備的紡絲墊表現出優秀的超疏水性，可通過光切換在材料表面實現微型水滴（3 uL）的操控。該研究為微量液體無損轉移等方面提供了指導性的思路。
當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往往由材料的化學組成和多尺度微觀結構所影響。與無機材料（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。含偶氮液晶聚合物由于偶氮苯光異構反應協同液晶光化學相變引發的光致變形作用，能夠快速地改變材料偶極和形態，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，復旦大學俞燕蕾教授課題組開發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，可實現小水滴（5-9 uL）的無損轉移操控。當水滴體積進一步縮小時，小水滴會陷在材料表面的微結構中，形成穩定的Wenzel狀態，因此在微量液體操控方面仍存在挑戰。
展開 復旦大學俞燕蕾教授課題組在原有基礎上將含偶氮線性液晶聚合物側鏈創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將氟化后的液晶聚合物制備成具有多尺度微觀結構的靜電紡絲墊，在不同紡絲液濃度下研究了光驅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，制備的紡絲墊表現出優秀的超疏水性，可通過光切換在材料表面實現微型水滴（3 uL）的操控。該研究為微量液體無損轉移等方面提供了指導性的思路。
當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往往由材料的化學組成和多尺度微觀結構所影響。與無機材料（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。含偶氮液晶聚合物由于偶氮苯光異構反應協同液晶光化學相變引發的光致變形作用，能夠快速地改變材料偶極和形態，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，復旦大學俞燕蕾教授課題組開發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，可實現小水滴（5-9 uL）的無損轉移操控。當水滴體積進一步縮小時，小水滴會陷在材料表面的微結構中，形成穩定的Wenzel狀態，因此在微量液體操控方面仍存在挑戰。
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01
背景介紹
輕質隔熱材料對于運輸和儲存溫度敏感的物品、電子設備熱管理、優化建筑物內部的舒適性至關重要。常用的商業絕緣隔熱材料包括聚合物基隔熱泡沫，如膨脹聚苯乙烯(EPS)和膨脹聚乙烯(EPE)。諸如此類的塑料是造成碳排放的核心因素之一，占全球碳排放量的15%。因此，利用天然可生物降解的聚合物制造高度可持續和節能的材料可以最大限度地減少對化石燃料的依賴
構筑負載各類抗菌劑的超疏水或超親水TiO2納米管陣列表面是被廣泛應用于鈦基材料表面實現其抗細菌黏附的有效策略之一，且基于TiO2的光敏性可在同一材料表面實現超疏水/超親水的智能切換，有以下科學問題需要進一步探究和揭示：1.太陽光照射下TiO2的量子產率極低情況下，如何提升其釋放活性氧(ROS)抗菌能力？
沖洗著淤泥，顯微鏡下超疏水材料的表面結構很粗糙，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為其上面的超疏水材料。超疏水材料有很大的發展前景：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省能源。
本文將主要介紹生物界中相關的現象與典型結構特征，旨在為仿生特殊潤濕表面制備提供參考。文章主要分為三部分：
l Cassie與Wenzel潤濕狀態；
l 靜態潤濕狀態；
l 智能潤濕行為。
1. Cassie與Wenzel潤濕狀態
在表面潤濕性研究當中，最常接觸的就是Cassie狀態和Wenzel狀態了，從圖 1中可以看到，Cassie狀態表明液體與固體間不完全接觸，存在氣體（一般稱為“氣墊
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l 液滴為什么會彈跳；
l “餅狀”彈跳 (pancake bouncing)；
l “蹦床”彈跳 (trampolining)；
l “旋轉
近日，上海交大機械與動力工程學院胡松濤副教授課題組設計并制備了具備機械強度的柔性超疏水仿生微結構，兼具抗液性與耐磨性，相關研究成果在機械裝備抗液防冰等領域具有重要的應用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發表于ACS Applied Materials & Interfaces
（i）通過循環照射紫外光和可見光，在超疏水材料Mat B和Mat C上滾動角（SA）的可逆變化趨勢。（紫外光：365 nm，30 mW·cm -2，2 s; 可見光：530 nm，20 mW·cm -2，20 s。）
Ⅳ.
（i）通過循環照射紫外光和可見光，在超疏水材料Mat B和Mat C上滾動角（SA）的可逆變化趨勢。（紫外光：365 nm，30 mW·cm -2，2 s; 可見光：530 nm，20 mW·cm -2，20 s。）
Ⅳ.
超疏水材料
超疏水材料是一種新型材料，它的表面具有特殊的微納米結構，而且在這些結構上有低表面能物質，因此水在其表面難以附著。
2. 三碘化氮
三碘化氮是地球上最容易爆炸的物質之一，它是一種深紅色固體，穩定性弱，十分敏感，在干燥的狀態下，任何輕微的接觸都有可能引發劇烈的爆炸。這種特性使得它經常被用于一些魔術或特效表演中。
3.
因為水滴在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”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
