鄭州大學《CEJ》：蠟燭菸灰「玩」出了新花樣？一種超疏水/超親水多功能雙面紙

2020-10-07 高分子科學前沿

兩面材料是通過不同的特性進行開發，從而實現理想的功能複合，近年來備受關注。荷葉是一種典型的雙面性界面行為材料，即荷葉的上表面具有超疏水特性，而下表面具有超親水特性。形成荷葉的雙面性界面的機制是由於生物為了適應環境的變化，從而引起自身細胞通透性的改變而引起的不對稱變形。

近年來，相關學者研究了許多具有仿生結構的疏水/親水兩面材料。然而，大多數實驗材料是不可降解的，且會涉及到有害的有機溶劑，製備過程也比較複雜。製備無毒、低成本、工藝簡單的兩面金屬材料，仍然面臨著巨大的挑戰。

為了實現上述想法，鄭州大學劉憲虎、潘亞敏等人受到荷葉和含羞草的啟發，將PDMS與蠟燭菸灰相結合，成功製備出了超疏水性/超親水性的雙面紙，改材料具有良好的生物相容性，可作為細胞培養載體。且該材料還集水下自驅動、微滴輸送和微量儲水等功能於一體，是一種具有重要潛力的多功能材料。該研究以題為「A simple superhydrophobic/ superhydrophilic Janus-paper with enhanced biocompatibility by PDMS and candle soot coating for actuator」的論文發表在Chemical Engineering Journal上。

【表面特徵】

圖1 雙面紙的表面形貌、元素及潤溼性

將濾紙的其中一面依次用PDMS和蠟燭菸灰進行表面處理，得到超疏水表面，而未改性處理的另一面則表現出親水能力。SEM圖像顯示濾紙由隨機交錯的纖維構成，纖維網格中存在很多15-35um的微孔。PDMS改性後濾紙仍保持原有的顏色，經過蠟燭菸灰改性後的濾紙纖維表面為黑色，但纖維網絡的排布結構並未發生變化，且蠟燭菸灰中大量的碳元素使得超疏水表面的碳原子含量明顯上升。XPS和FTIR分別用於分析了兩面紙表面的元素組成和官能團，結果表明PDMS和蠟燭菸灰成功地被固定的樣品的超疏水面。

超疏水表面的接觸角為162.2±1.2°，滾動角為1°左右，表現出極好的超疏水性能。該表面具有很好的抗汙能力，不會被生活中常見的水性汙漬汙染。咖啡、綠茶、糖水和牛奶等液滴在超疏水表面上均形成球形狀態，很容易從表面上滾落下來。

【機械穩定性】

圖2 超疏水表面的機械穩定性

超疏水表面必須要能夠承受工作和貯存環境中各種載荷的作用，才能夠很好地投入工程應用。在經過了砂紙打磨、手指按壓、紫外光照射和水流衝擊之後，PDMS改性的超疏水表面依然能夠保持接觸角150°以上，展現了超疏水能力較好的機械穩定性。

【生物相容性】

圖3 生物相容性實驗示意圖及結果

用草地夜蛾細胞測試雙面紙的生物相容性，實驗進行70min後，雙面紙表面仍然有大量的細胞存活，證明了該材料較好的生物相容性。

【水下自驅動變形】

圖4 雙面紙的定向驅動模式

將雙面紙放入水中後，2秒內紙面向疏水側彎曲達到270°，當浸泡時間變長時，彎曲的樣品再次伸展開來。材料的驅動機理可以簡要地解釋為：水從雙面紙的親水側浸潤樣品時，兩側產生不對稱變形，其中親水面膨脹導致樣品彎曲向疏水一側；當材料吸水飽和後，兩側變形量差異減小，則表現為樣品伸展。因為有疏水性PDMS和蠟燭菸灰的存在，水不會完全浸潤樣品，所以伸展後的雙面紙仍會有一定的彎曲，無法完全伸直。此外，材料的彎曲驅動響應能力還與濾紙的孔徑相關。

圖5 雙面紙驅動能力的應用

雙面紙不僅做出彎曲的動作，還可以實現伸展的動作，將720°捲曲的雙面紙（外側為親水面）放入水中，樣品立馬就會解螺旋，伸展為平直狀態；當一張含羞草樣的雙面紙放在水中時，它會像受外界刺激的含羞草一樣收縮捲曲；將雙面紙通過絲線連接到紙船上，它遇水變形時產生的自主驅動力可以拖動紙船運動，表現出了該材料在提供自主動力方面的潛在應用。

【微滴轉移和微量儲水】

圖6 雙面紙用於微滴轉移和儲水裝置

由於兩個表面粘附性的不同，兩面紙的超疏水性和超親水性表面可用於轉移微滴，液滴可以從低粘附性的表面被轉移到高粘附性的表面，且不產生液體損失。整個過程不需要精密儀器輔助，在自動化液體輸送、藥物劑量控制等領域有重要的應用前景。由於雙面紙具有兩種不同的潤溼性，也可以將其作為少量水分的儲蓄裝置。

總結：作者用PDMS和蠟燭菸灰共同改性濾紙，製成了多功能雙面紙。菸灰聚集的表面表現出超疏水性，相反的表面仍然表現出超親水性。超疏水表面具有優良的防汙性能、機械穩定性和生物相容性，在水下驅動器和微滴轉移等領域有重要的潛在應用價值，有利於多功能驅動材料的開發和應用。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126532

來源：高分子科學前沿

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