仿生荷葉的超疏水材料由于其獨(dú)特的固-液界面性質(zhì),在表面自清潔、生物防污、防水抗結(jié)冰、流體減阻以及傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力,隨之又發(fā)展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤(rùn)系統(tǒng)理論。以江雷院士團(tuán)隊(duì)、David Quéré 教授團(tuán)隊(duì)等為代表的國(guó)內(nèi)外廣大研究群體在固液界面材料研究領(lǐng)域建立了堅(jiān)實(shí)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ),并取得了豐碩的研究成果[1-4]。
一般情況下,材料表面實(shí)現(xiàn)超疏水性需要借助微/納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能截留空氣并托起液滴,實(shí)現(xiàn)Cassie-Baxter態(tài)的同時(shí)創(chuàng)造低的固-液接觸。然而,微/納米粗糙結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷下會(huì)產(chǎn)生極高的局部壓強(qiáng),使其易碎易磨損。此外,磨損會(huì)暴露底層材料,改變表面的局部化學(xué)性質(zhì)使其從疏水性變成親水性,導(dǎo)致水滴釘扎。長(zhǎng)期以來,人們認(rèn)為表面的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個(gè)性能,正所謂“魚和熊掌,不可兼得”。因此,如何保證在擁有良好超疏水性能的同時(shí),又能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性,是當(dāng)前超疏水材料面對(duì)實(shí)際應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵難題 [5]。
最近,Nature 正式刊發(fā)了電子科技大學(xué)鄧旭教授團(tuán)隊(duì)和芬蘭阿爾托大學(xué)Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”,并被選為當(dāng)期封面。該工作提出去耦合機(jī)制將表面浸潤(rùn)性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度,通過在兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度上分別進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì),為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”,解決了超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。該工作第一作者為電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝,這是電子科技大學(xué)首次以第一單位在Nature 上發(fā)表研究成果,標(biāo)志著電子科技大學(xué)在材料表面科學(xué)研究域取得了重大突破。合作者還包括:芬蘭阿爾托大學(xué)Quan Zhou教授、電子科技大學(xué)陳龍泉教授和朱順鵬教授、北京理工大學(xué)周天豐教授、香港城市大學(xué)王鉆開教授、布魯克納米表面研究中心Fan-Yen Lin博士、漢能光伏何博博士等。
通常,減少固-液接觸是增強(qiáng)表面超疏水性的常用手段,根據(jù)Cassie-Baxter方程,固-液接觸面積的減小,有利于提高表觀接觸角和降低滾動(dòng)角。但由于接觸面積的降低,必然導(dǎo)致微/納結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強(qiáng),從而更易磨損,這就意味著超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性在提高一種性能時(shí)必然導(dǎo)致另一種性能下降。該論文基于全新思路,首次通過去耦合機(jī)制將超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度,并提出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”保護(hù)超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結(jié)合浸潤(rùn)性理論和機(jī)械力學(xué)原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,利用光刻、冷/熱壓等微細(xì)加工技術(shù)將裝甲結(jié)構(gòu)制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面,與超疏水納米材料復(fù)合構(gòu)建出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的鎧甲化超疏水表面。
該工作在集成高強(qiáng)度機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時(shí),還實(shí)現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率,為該表面應(yīng)用于自清潔車用玻璃、太陽(yáng)能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創(chuàng)造了必要條件。研究人員將該表面應(yīng)用于太陽(yáng)能電池蓋板,實(shí)現(xiàn)了依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式,為少雨地區(qū)提供了自清潔太陽(yáng)能電池面板的解決方案。基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術(shù)可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵、鳥類糞便等污染,長(zhǎng)期維持太陽(yáng)能電池高效的能量轉(zhuǎn)換,并節(jié)省傳統(tǒng)清潔過程中必需的淡水資源和勞動(dòng)力成本。該論文創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和通用的制造策略展示了鎧甲化超疏表面非凡的應(yīng)用潛力,必將進(jìn)一步推動(dòng)超疏水表面進(jìn)入廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
全文鏈接:
Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin, Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou, Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng,Design of robust superhydrophobic surfaces,Nature, 2020, 582, 55–59, DOI: 10.1038/s41586-020-2331-8
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- David Quéré. Wetting and roughness. Ann. Rev. Mater. Res., 2008, 38, 71-99
- Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nat. Mater., 2019, 18, 936-941
- Xuelin Tian, Tuukka Verho, Robin HA Ras. Moving superhydrophobic surfaces toward real-world applications. Science, 2011, 352, 142-143
課題組介紹
鄧旭,電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院教授,材料表面科學(xué)研究中心、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)伙伴小組聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人,主要研究領(lǐng)域?yàn)椴牧媳砻婵茖W(xué)、物理化學(xué)、仿生工程等。
已在Science, Nature, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letter, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等國(guó)際著名期刊上發(fā)表文章60余篇,并被Nature,Nature Nanotechnology,Nature Physics,MIT Technology Review等國(guó)際知名學(xué)術(shù)媒體多次專題報(bào)道。
作為主要發(fā)明人獲得歐洲發(fā)明專利3項(xiàng),美國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng),中國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)。
榮獲四川省學(xué)科技術(shù)帶頭人(2019)、國(guó)際仿生學(xué)會(huì)青年委員(2019)、中國(guó)化學(xué)會(huì)仿生材料化學(xué)委員會(huì)委員(2019)、中國(guó)十大科技新銳人物(2019),中國(guó)化學(xué)會(huì)首屆菁青化學(xué)新銳獎(jiǎng)(2019)