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科技日报深度报道邓旭教授团队最新研究成果

文:陈振鹏 科技日报记者 盛利 / 来源:社会媒体   2020/6/11

  为什么水蜘蛛可以在水上行走?为什么荷叶“出淤泥而不染”?为什么蝴蝶的翅膀不会被打湿?其实,这些都与动植物“身体”表面的超疏水性有关系。

  受上述自然现象的启发,人们逐渐掌握了制备超疏水材料以实现自清洁的“秘密”——其对水具有极好的排斥性,水滴在其表面无法铺展而保持球状且极易滚动,滚动过程中可以带走表面尘埃,从而达到自清洁效果。

  但是,这种超疏水材料表面结构十分脆弱,难以实现广泛应用。如何给超疏水材料表面“披上”坚固“铠甲”?未来这种新型表面会有哪些应用?记者6月8日从十大靠谱彩票平台获悉,日前《自然》杂志封面发表了该校基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研成果,该篇名为《设计坚固的超疏水表面》的论文提出,通过为超疏水表面“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式,解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

中国科学家成果登上《Nature》封面!荷叶出淤泥而不染的“续篇”来了
该论文在《自然》杂志封面刊发。受访者供图

“超疏水性vs机械稳定性”鱼和熊掌能否兼得?

  荷叶为何“出淤泥而不染”?这是因为荷叶上的灰尘和污垢很容易被露珠和雨水带走,从而保持表面的清洁。近年来,源于动植物仿生学的超疏水材料由于其独特的物理性质,在表面自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大应用潜力。

  在我国,以江雷院士团队为代表的广大研究群体在固液界面材料研究领域建立了坚实的理论和应用基础,并取得了丰硕的研究成果。

  “然而,由于需要借助微纳米粗糙结构,超疏水材料更易磨损破碎。”论文第一作者、电子科大基础与前沿研究院博士生王德辉说,这种磨损也会暴露底层材料,改变表面局部化学性质,使其从疏水性变成亲水性,导致水滴钉扎。

  “通常,传统的材料表面一旦引入超疏水性后,它的抗磨损性能就不会太好。”他说,比如轻微触碰、沙尘暴袭击等都可能导致其超疏水性能“失效”。因此,如何保证材料表面既有良好超疏水性,又兼具较强机械稳定性,是当前超疏水材料走入实际应用领域亟须解决的关建难题。

  “根据已有科学研究,人们认为材料表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特性。”王德辉说,这是因为通过减少接触面积的方式来增强疏水性的同时,也会导致微/纳米结构承受更高的局部压强,从而更易磨损。“这就意味着超疏水性和机械稳定性在提高一种性能时必然导致另一种性能下降。”

超疏水表面如何加固?拆分优化设计出“微结构铠甲”

  那么,该如何给机械性能较弱的超疏水材料表面装上“铠甲”,实现同一材料表面的机械稳定性与超疏水性能双重叠加呢?

  “一方面,要实现机械稳定性需在更大的结构尺度进行几何设计;另一方面,若想获得更好的超疏水性则要在纳米尺度进行结构优化。”王德辉说,按照常规思路,很难在同一尺度实现上述两种性能的兼容。

  能不能试试拆分处理呢?论文通讯作者、十大靠谱彩票平台基础与前沿研究院邓旭教授及其团队提出了新的实验设想:即通过“去耦合机制”将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度,再利用微结构给超疏水纳米材料提供坚固“铠甲”以防止磨损。

  “微结构就是做到微米乃至更宏观级别,比较耐磨耐用,仅提供机械稳定性保护纳米材料免遭磨损;而被保护的纳米结构则主要承担超疏水性。”王德辉说,这样通过优化设计后制备的微结构“铠甲”就可以很好保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损,从而构筑出铠甲化超疏水表面。

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铠甲微结构尺寸越小,超疏水性对断裂性磨损越敏感。受访者供图

  在实验过程中,该团队通过结合浸润性理论和机械力学原理分析得出微结构设计原则,同时利用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表面,与超疏水纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水表面。

新技术已用于自清洁太阳能电池

  这种微细加工技术要精确到何种程度呢?“提供机械性能,微米级就够了。”王德辉说,一般情况下,在微米级结构上,尺度越大,对摩擦磨损越不敏感。

       记者了解到,目前研究人员已经将这种新型超疏水材料表面应用于太阳能电池盖板。

  王德辉说,新材料通过表面依靠冷凝液滴清除尘埃颗粒的自清洁方式,将为少雨地区提供自清洁太阳能电池的解决方案。“此外,基于玻璃装甲化表面的自清洁技术还可巧妙地利用雨或雾滴消除粉尘等污染,长期维持太阳能电池高效的能量转换,并节省传统清洁过程中必需的淡水资源和劳动力成本。”他说。

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高透光率的玻璃铠甲化超疏水表面应用于自清洁太阳能电池板示意图。受访者供图

  王德辉说,团队还发现该新型超疏水材料还兼具了耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能。此外,新材料还实现了玻璃铠甲化表面的高透光率,这也将为该表面应用于自清洁车用玻璃、太阳能电池盖板、建筑玻璃幕墙创造条件。

  “如何才能让酸奶干干净净地倒出来?军舰、轮船等船体上如何减少贝壳等生物黏附?如何才能使机翼、军舰、高压输电设备防冻防结冰?超疏水表面的用途十分广泛。”王德辉说,该论文展示了铠甲化超疏表面非凡的应用潜力,必将进一步推动超疏水表面进入广泛的实际应用。

  报道链接:

https://mp.weixin.qq.com/s/IPyuNWoNOiUtfeKHabk3UQ

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