疏水親水自由切換的材料是什麼?

2020-12-08 網易探索

核心提示：「這意味著這種材料也可以用於有機分子容易遭到破壞的場合，無論是日常生活還是太空旅行。」

（原標題：疏水親水自由切換的材料）

單層原子材料在電壓作用下可以改變表面結構從而改變潤溼性質。 

當雨落在荷葉上時，荷葉不會被打溼。這是因為荷葉有特殊的結構，水滴滾落而不會潤溼葉面。人造材料也可以是疏水的。但是，想要造出一種材料，讓它的表面可以在親水和疏水兩個狀態間切換卻極為不易。現在，奧地利維也納科技大學、比利時魯汶大學和瑞士蘇黎世大學的研究人員可以成功地操縱單層氮化硼材料，使其潤溼和附著能力在高低之間來回切換。

「材料表面最有意思的物理特性就是它的靜摩擦力，」維也納科技大學應用物理研究所和魯汶大學的研究員 Stijn Mertens 表示，「如果材料表面上物體要滑落的話，必須要克服這種靜摩擦力。」材料表面的納米結構在很大程度上決定了靜摩擦力的大小：材料表面和其他物體（如液滴）的接觸細節取決於其原子排列的幾何規律以及其他性質。而這對附著、靜摩擦力和潤溼來說十分關鍵。但是此前，靜摩擦力和潤溼之間的關係極少為人所知。

「就像由單層碳原子構成的石墨烯材料一樣，我們的氮化硼材料由等量的氮原子和硼原子構成，其厚度也是單層原子。」 蘇黎世大學物理研究所的 Thomas Greber 表示。這層超薄材料可以生長在銠單晶上。

銠單晶表面的原子以及氮化硼裡的原子均形成了一個邊角形結構。不過兩種材料各自的原子間距是不同的。氮化硼中13個原子所佔體積和12個銠原子所佔體積相同，如此一來兩種晶體無法完全契合。由於這種不匹配，氮化硼六角形必然會彎折，形成了一種波長為3.2納米、高度為0.1納米的靜止波浪。

Stijn Mertens 表示，「正是這種二維納米波影響了水對表面的潤溼。」此外，氮化硼的超結構可由一個簡單的方法撫平：浸沒到酸液裡然後施加電壓，氫原子在單層氮化硼下面運動，會改變氮原子和銠原子間的化學鍵。這個過程能把氮化硼撫平。

這樣，水滴在材料表面的附著能力就會立刻發生巨大的變化，即便水滴比氮化硼的微小波浪結構大100000倍。減小電壓，這個效應就會反轉。Stijn Mertens 解釋道，「我們可以讓材料表面在兩個狀態間反覆切換。」

為了在施加電壓的同時研究材料表面的潤溼性能，研究人員專門搭建了一種儀器。液滴通過一個極細的玻璃管被滴到材料表面。液滴可變大變小，同時它的形狀被記錄了下來。液滴是扁平還是滾圓，取決於材料表面的性質。

可在親水和疏水狀態間切換的材料概念已經出現了一段時間了。比如，當某種色光照射時，一些有機分子的形狀會發生變化，人們把這種分子製成了材料表面。但是，這種分子比這篇文章中描述的材料更加複雜易碎。

「我們的表面僅由單層原子構成，它是完全無機的，即使我們把它在真空中加熱到1000°C時也不會發生變化，」 Stijn Mertens and Thomas Greber 表示，「這意味著這種材料也可以用於有機分子容易遭到破壞的場合，無論是日常生活還是太空旅行。」

本文來源：《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯：冷娜_NN5073

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