【澳门正规赌博】兰州化物所基于硅烷和硅酸盐黏土矿物的特殊润湿性材料研究获进展,徐伟箭教授研究团队在Nature

表面的润湿性质是材料实际应用的重要考量,也是表面科学的研究热点。源于对自然界特殊润湿现象的认识,比如荷叶的自清洁特性,科学界长期致力于合成材料特殊润湿性质的研究。超疏水表面是一类对水这类高张力液体具有极端排斥性的表面,比如水滴在荷叶表面能够自如滚动,但是这类表面对具有低表面张力的有机试剂却表现出较差的排斥性。这种易被油污沾染的不足严重限制了超疏水表面的实际应用。

化学化工学院在读博士潘帅军,在材料表面润湿性研究领域取得了重要的理论和应用研究进展,相关研究成果发表在化学领域顶尖期刊《美国化学会会志》(Journal
of the American Chemical Society 2013, 135(2):
578-581)、化工领域顶尖期刊《美国化学工程师协会会刊》(AIChE Journal 2014,
60(8): 2752-2756)以及材料领域SCI一区期刊《软物质》(Soft Matter 2014,
DOI: 10.1039/C4SM01844C; DOI:
10.1039/C4SM01731E)上,其中一篇从投稿到发表仅用时18天,一篇在发表一个月内即被评为Most
Read
Article,另一篇在发表仅一年内已被引用50余次,得到了同行专家的高度评价。

近年来,仿生超疏水、超双疏和超滑涂层等特殊润湿性涂层、材料快速发展。然而,上述仿生特殊润湿性材料普遍存在机械稳定性差、制备方法复杂昂贵、低表面能液体易粘附和基底材料性质依赖性强等问题,成为其实际应用的瓶颈因素。

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在硅烷聚合物特殊润湿性涂层、硅酸盐黏土矿物及其纳米复合材料方面的研究基础上,中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室研究员张俊平团队,在基于硅烷和硅酸盐黏土矿物的特殊润湿性材料研究取得系列进展,制备了性能优异的硅烷聚合物纳米纤维超双疏、超滑涂层,粗糙表面硅烷聚合物稳定超疏水涂层,硅烷聚合物/黏土纳米复合超疏水、超双疏涂层和硅烷聚合物超疏水、超双疏3D泡沫材料。

图为超疏表面及其润湿性表征

表面润湿性是材料最重要的表面特性之一,涉及到人类科技和社会发展的方方面面,例如材料表面的抗污、抗粘附和自清洁的需求等。特殊的表面润湿性体现在对不同极性、粘度、表面张力的(非)牛顿流体的极端润湿性:超强排斥性或超强亲润性。近年来,特殊的表面润湿性吸引了科学界广泛的兴趣和持续的关注,科学家们开发出了大量的超疏水表面。但是,在表面润湿性能与结构理论关系的构建、表面润湿性的动态智能调控、排斥油污的超轻盈涂层的制备、材料表面的化学异质性及其功能应用等方面仍然存在许多亟待探讨的科学问题。

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我校化学化工学院蒋健晖、徐伟箭教授课题组和澳大利亚墨尔本大学Frank
Caruso教授课题组合作开展了该领域的相关研究,并取得了新进展,开发了一种制备超级抗润湿性纳米涂层的通用方法。该纳米涂层具有多级粗糙性凹角结构和抗粘附性表面化学,对100多种液体表现出超强的排斥性,比如浓硫酸能够在涂层表面滚落且不腐蚀表面,因此表现出优异的化学防护特性。同时,该涂层还具有可调控的透明性、外力耐受性和智能响应性。该工作对抗润湿性表面的设计与应用提供了重要的参考,以期能够促进表面科学的发展。相关工作也于近期发表在材料领域顶尖期刊《Nature
Materials》上,影响因子39.235,,受到了Chemical & Engineering
News的报道,得到了国际同行的认可。

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图1.基于长链硅烷的SNFs透明超双疏涂层和蒸发导致的仿猪笼草超滑表面向仿荷叶超双疏表面的转变

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潘帅军依据;仿生学的原理,首先从银杏叶向阳面和背光面迥异的表面润湿性出发,通过建立数学模型和理论分析,以新的科学视角首次揭示了银杏叶表面的微观形貌和润湿性的定量关系;然后以此为理论依据,利用化学手段对材料表面微观物理结构进行有效调控,首次研发出对几乎所有液体都具有超强排斥作用的聚合物纳米复合涂层;进而通过表面微观化学结构的巧妙设计,首次实现了材料表面润湿性的动态智能光化学调控以及对溶剂的智能选择润湿性。

SNFs超双疏、超滑涂层

图为超疏表面的响应性表征

这些研究成果为功能表面化学材料的研发提供了崭新的思路,更为其工业应用提供了新的契机。鉴于其在石油纯化、催化分离、药物筛选、细胞粘附、生物传感、药物缓释、抗冰减阻、化学防护、微流体传送以及自清洁衣物等领域重要的潜在应用价值,潘帅军的这些研究成果一经发表,便受到了NBC
News、Wall Street Journal、Chemistry World、Popular Science、Science
Daily、Fox News、NASA、American Bazaar、Canada Free
Press、新华网、中国网、中华网、科学网、凤凰网、光明网、搜狐科学、探索发现、新浪科技、科技日报、百度百科、中国科学院、中国科技网、火狐中文网、中国创新网、中国纳米资讯网、中国行业研究网、国家自然科学基金会等百余家国内外知名媒体机构的广泛报道。

通过简单地控制甲基三氯硅烷的气相沉积或液相聚合,可在各种表面上(如棉布、羊毛、丝绸、聚氨酯纤维、木材、醋酸纤维素、玻璃、石英、硅片、钛合金和铝箔等)形成SNFs超疏水涂层。然而,SNFs的制备局限于小分子硅烷,由于空间位阻较大,长链烷基硅烷无法形成SNFs结构。通过引入正硅酸乙酯或四氯硅烷,减小聚合反应的空间位阻,首次采用长链烷基硅烷制备SNFs,一步反应制备了透明超双疏涂层。

论文第一作者为博士潘帅军和在读博士郭瑞。其中,潘帅军博士的研究领域是表面浸润性,曾先后以第一作者在《Journal
of the American Chemical Society》、《AIChE Journal》、《Nature
Materials》等国际顶级期刊发表论文10篇。相关研究成果曾受到Chemistry
World、American Bazaar、Canada Free Press等科技媒体的关注和报道。

通过将低表面能全氟聚醚液体铺展于氟化处理的SNFs表面上,制备仿猪笼草超滑表面。研究表明,液滴在超滑表面上的运动速度远远小于在超疏水表面上的运动速度,而且表面的纳米结构和倾斜角度、低表面能润滑剂的黏度和液膜厚度及液滴的理化性能都会对液滴的运动速度产生较大的影响。另外,对超滑表面上液体膜蒸发引起的仿猪笼草超滑表面向仿荷叶超双疏表面转变的过程进行研究。研究发现,在向超双疏表面转变的过程中存在一个高粘附过渡态,各种表面能的液滴在该过渡表面上都处于Wenzel状态,牢固粘附于表面,导致其丧失自清洁性,制约其实际应用。

相关论文链接:

粗糙表面硅烷聚合物稳定超疏水涂层

机械稳定性差是限制超疏水表面和超双疏表面实际应用的瓶颈因素。为此,通过硅烷的筛选并控制反应条件,制得新型硅烷聚合物;采用浸涂法制备无氟稳定超疏水织物,具有优异的耐摩擦、耐机洗和耐干洗性能。在此基础上,通过与磁性纳米粒子、光催化材料和多巴胺等结合,制备磁性油水分离海绵、光催化油水分离材料和自清洁抗生物粘附材料等。

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图2.硅烷聚合物稳定超疏水织物和特殊润湿性薄膜用于水体净化

硅烷聚合物/黏土矿物纳米复合超疏水、超双疏涂层

在上述研究工作基础上,首次在硅烷聚合反应过程中引入凹凸棒石和碳纳米管等纤维状纳米材料,合成一系列新型硅烷聚合物纳米复合材料,在多种基底材料上制备稳定超疏水、超双疏涂层,涂层表现出优异的机械、化学和环境稳定性和一定的自修复性。研究表明,凹凸棒石在构筑超疏水、超双疏涂层方面优于膨润土、海泡石和高岭石等其他黏土矿物。在此基础上,拓展了其在药物控释和液体弹珠等领域的应用,实现了空气层调控的药物控释和不同表面能液体弹珠的可控制备。此外,通过控制硅烷在凹凸棒石表面的水解缩合反应,制备水性超疏水涂层,表现出优异的综合性能。

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图3.基于凹凸棒石的超双疏涂层和水性超疏水涂层

玛雅蓝是一种具有艳丽色彩的有机-无机复合颜料,由凹凸棒石和一种来自植物的靛蓝分子复合而成,古代玛雅人将其广泛应用于壁画、陶器和雕刻中。玛雅蓝具有优异的稳定性,长年累月的气温变化和潮湿的空气也无法使它褪色。在前期类玛雅蓝颜料和仿生自清洁涂层的研究基础上,研究人员首次将类玛雅蓝颜料与超疏水、超双疏涂层相结合,制备了色彩丰富的自清洁类玛雅蓝颜料和涂层。超疏水、超双疏涂层的引入,显著提高了类玛雅蓝颜料的稳定性,并赋予其自清洁性能。

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图4.基于类玛雅蓝颜料的彩色超疏水涂层和溶剂致变色自清洁类玛雅蓝颜料

硅烷聚合物超疏水、超双疏3D泡沫材料

与超疏水、超双疏涂层不同,超疏水、超双疏3D泡沫材料具有独特的3D多孔结构,结合仿生涂层的特殊润湿性和3D泡沫材料的多孔结构,在油水分离等诸多领域具有广泛的应用前景。目前,普遍采用表面涂覆的方式在传统3D泡沫材料表面(如聚氨酯、三聚氰胺海绵等)引入超疏水涂层,超双疏3D泡沫材料报道极少。为此,通过控制硅烷的水解缩合,经一步反应或模板法制备了超疏水硅烷聚合物3D泡沫材料,表现出优异的超疏水性能、稳定性和弹性。在此基础上,通过氟硅烷的进一步水解缩合,将其转变为超双疏硅烷聚合物3D泡沫材料,并进一步提高其力学性能和耐温性。另外,通过NaCl模板法制备了PDMS高强度3D泡沫材料。

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图5.超双疏硅烷聚合物3D泡沫材料

研究工作得到了中科院百人计划、国家自然科学基金和江苏省科技支撑项目的资助。

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