化學所在仿生特殊浸潤性界面材料領域取得系列成果

2020-12-08 中國科學院


一種常見的生活在池塘、河流和溪水表面的昆蟲－水黽為何能毫不費力地站在水面上，並能快速地移動和跳躍？通過對其腿部微觀結構的觀察，我們發現水黽的這種優異的水上特性是利用其腿部特殊的微納米結構與其表面油脂的協同效應實現的。圖為水黽腿部的微觀結構電鏡照片。



由於表面微米級結構的取向排列，水滴在水稻葉表面會呈現各向異性的流動趨勢。左圖為水滴在水稻葉表面的各向異性照片；右圖為水稻葉表面的微觀結構電鏡照片。



荷葉出淤泥而不染的特點是其表面具有超疏水性質引起的，這種超疏水的性質是荷葉表面的微米/納米複合結構與其表面的植物蠟所產生的共同作用的結果。圖為荷葉表面微觀結構的電鏡照片。


    化學所有機固體院重點實驗室江雷研究員領導的課題組，近幾年來一直致力於仿生納米界面材料的研究工作，並取得系列研究成果，最近應邀在《化學研究報導》雜誌上發表綜述文章，全面系統地介紹了該小組的工作。

    該課題組從具有特殊表面性能的生物體出發，選擇幾種典型的生物體表面進行重點研究，揭示了以下幾種生物表面特殊浸潤性的機理：通過對荷葉表面結構的研究，發現其表面的微米/納米結構與表面植物蠟的協同作用是引起自清潔性的關鍵；通過對水稻葉表面存在液滴滾動的各向異性的機理研究，發現該現象是由於其表面微/納米結構的定向排列的結果；通過對水黽的腿部微結構的研究，揭示了水黽穩定的水上運動特性是源於特殊的微/納米結構和油脂的協同效應。

    受到以上研究結果的啟發，研究人員仿生製備了多種各具特色的特殊浸潤性界面，即在開拓新材料領域方面：製備出具有超雙疏 (同時疏水/疏油) 性質的陣列碳納米管薄膜；製備出不需要任何昂貴低表面能物質(如有機氟及有機矽) 修飾就可以顯示超疏水性質的聚合物薄膜；首次利用雙親性聚合物製備超疏水性薄膜。

    在新性能拓展方面，該小組與化學所楊振忠研究員合作，製備了在廣泛pH值範圍內超疏水納米結構碳膜；採用靜電噴塗技術製備出具有超疏水/超親油性的油水分離網膜。

    在規模化製備方面，該小組採用電紡技術製備由納米纖維 「捆綁」的多孔微球類荷葉狀結構仿生超疏水聚合物荷葉薄膜；仿照水稻微米結構排列方式製備出三維各向異性的碳納米管微結構陣列；該小組與化學所徐堅研究員合作採用一步塗敷法，成功製備了具有類似於荷葉的微米/納米複合多級結構的超雙疏聚合物塗層；模擬蟬翅膀表面的微觀結構製備了超疏水聚合物納米柱膜；仿照壁虎腳底剛毛結構製備具有高粘附力的超疏水聚苯乙烯薄膜。

    該小組在智能可控方面，在外場可控超疏水與超親水可逆「開關」材料的研製上取得了重要的研究成果，實現了光響應及熱響應的超疏水—超親水可逆「開關」材料，該研究被評選為2004年度中國十大科技進展新聞，並分別被《自然》和《科學》雜誌報導。

    以上材料體系的研製，實現了學習自然、模仿自然的過程，發展了仿生納米界面材料的新領域。

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