親水疏水,一步切換的金屬表面

2020-11-22 騰訊網

我們通過一步電沉積方法，製備了界面性能（如浸潤性和斥液性）可逆調控的多孔金屬表面。我們發現，界面性能可逆調控的物理根源是：表面活性劑配體分子的取向變化。

論文：Electrodeposited surfaces with

reversibly switching interfacial properties

論文第一作者：劉悅

論文通訊作者：楊士寬

通訊作者單位：浙江大學材料科學與工程學院

推薦人：李浩然（化學系教授）

研究背景

具有特殊界面性能的表面在眾多領域具有舉足輕重的作用。通過研究自然界植物的表面結構與功能關聯，科學家製備了多種具有特殊潤溼性和斥液性的表面。譬如，通過模仿荷葉和豬籠草的表面，分別合成了具有超疏水性能的微納結構表面和具有優異斥液性能的潤滑液浸漬表面（SLIPS）。最近，界面性能隨外界刺激響應的表面（智能表面）吸引了廣泛的研究興趣。然而，它們的合成過程通常需要多個複雜步驟。

近年來，具有出色的可變形性和環境適應性的柔性電子設備在軟機器人，人機接口等領域展現出了巨大的潛力。在各類柔性導電材料中，液態金屬由於其高導電性和本徵可拉伸性而被廣泛使用。

研究亮點

電化學沉積是一種十分簡單的合成方法，已在工業上廣泛應用。我們發現在硝酸銀電解液中加入十二烷基硫酸鈉表面活性劑分子（具有親水的頭部和疏水的尾巴），通過一步電沉積製備出的多孔銀表面是親水和有機溶劑的，也就是說，液體可以在表面迅速鋪展開。

我們意外發現有機溶劑處理過後的多孔銀表面變成了超疏水，就像荷葉一樣能託起水滴。超疏水的多孔銀表面放入水中通電能夠變回到超親水狀態。這個超親水-超疏水狀態的可逆轉變可以循環十幾次，性能不衰減。

對電沉積多孔銀表面的物理化學結構和界面性能關聯關係的深入研究揭示了界面性能可逆調控的物理根源是表面活性劑配體的取向變化。表面增強拉曼散射（SERS）表徵表明電解液中添加的十二烷基硫酸根錨定在了多孔銀表面。在新鮮製備的多孔銀表面上，十二烷基鏈「躲」在了銀的孔裡面，所以展示出超親水性。酒精或者揮發性有機溶劑處理以後，十二烷基鏈被「拉」了出來，所以轉變為超疏水。超疏水的銀表面置於水中通電，十二烷基鏈能夠重新回到銀孔裡面，恢復到超親水狀態。通過對置於水中的多孔銀表面施加電壓過程中十二烷基鏈的SERS信號強度的原位、實時監測，證明了表面配體分子轉動是浸潤性可逆調控的來源。此外，電沉積的銀多孔表面能夠將水或油性潤滑劑「鎖」在孔內形成穩定的SLIPS，從而能夠排斥油或水。

根據上述特點，我們初步探索了電沉積多孔銀表面在信息加密、液滴轉移、智能水閥、集水、水油分離等領域的潛在應用。

看圖說話

圖：電沉積多孔銀表面在超親水-超疏水狀態間的可逆轉換。超親水和超疏水的表面可以分別「鎖」住水和油形成SLIPS（1）和SLIPS（2）超滑斥液表面

圖：電沉積多孔銀表面的形貌和性能表徵。(a) 多孔銀表面的掃描電子顯微鏡照片。（b）隨著電沉積時間延長多孔銀表面的粗糙度變化。（c）不同電沉積時間製備的多孔銀表面在酒精處理前（曲線I）和處理後（曲線II）的接觸角變化。（d）25種常見有機溶劑處理都能使多孔銀表面從超親水轉變到超疏水。（e）極少量的酒精就能實現多孔銀表面從超親水到超疏水的轉變。（f）超親水到超疏水可逆轉變循環性能。（g）超親水到超疏水可逆轉換過程中，多孔銀表面形貌沒有變化。

圖：SERS揭示超親水到超疏水可逆轉變的根源是表面活性劑配體的取向變化。（a）硫酸銀拉曼峰的存在表明十二烷基硫酸根錨定在了銀表面。（b）十二烷基硫酸根在電場下的轉動。（c）十二烷基硫酸根在超親水和超疏水狀態下SERS信號強度變化的原因。（d）SERS面掃圖證實十二烷基硫酸根在超親水狀態下SERS信號強。（e）SERS面掃圖證實十二烷基硫酸根在超疏水狀態下SERS信號弱。（f）原位、實時SERS監測通電的銀表面十二烷基硫酸根的SERS信號強度變化。

圖：多孔銀表面的多次加密書寫應用演示。（a）利用通電的鉛筆拖動多孔銀表面的水滴書寫出字母「ZJU」，「ZJU」軌跡就會變成親水。當浸入水中時，「ZJU」就會顯示出來。酒精處理後，「ZJU」徹底消失，可以重新書寫其它信息。（b）書寫時照片。（c）顯示出的「ZJU」字母以及酒精處理後字母消失照片。（d）書寫字母的軌跡寬度與電壓和書寫速度的關係。（e）10V電壓下，正常書寫速度就能獲得親水的字母軌跡。

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本研究開發了一種極其簡單的電化學方法製備界面性能可逆調控多孔金屬表面，率先利用SERS技術研究界面性能，並揭示了一種通過表面活性劑配體取向變化實現界面性能可逆調控的新機制。所製備的多孔表面有望在液滴操縱、油水分離、信息加密、集水、智能閥門、傳感器等領域發揮重要作用。

課題組主頁：

https://person.zju.edu.cn/shkyang

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