超疏水材料潜力巨大，
文章来源：贤集网 更新时间：2022-11-10 15:27:24
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大自然的鬼斧神工，常常创作出令人叹服的事物，给我们带来美好熏陶的同时，也给我们带来启迪和感悟。古人面对“出淤泥而不染”的荷叶时，一边赞叹着它高洁的君子形象，一边思索着背后的道理。 早期超疏水材料的设计便是对这些现象的关注与探索。荷叶表面难以被润湿而表现出的超疏水特性是其表面的微米级乳突和具有低表面能的蜡状物质共同决定的。 图1 荷叶表面的疏水现象及微纳结构 那么，超疏水材料到底是一类什么样的材料？关于超疏水材料的最新研究有啥？超疏水材料的应用有哪些？ 1、超疏水材料的概念 超疏水材料是一类对水极端排斥的材料，通常由特殊的表面微纳粗糙结构和低表面能化学物质构成，水滴在其上无法滑动铺展而保持球型滚动状，从而达到滚动自清洁的效果。超疏水材料的决定性因素是表面的微纳粗糙结构，超疏水材料独特的固-液界面性质，使其在表面自清洁、生物防污、腐蚀防护、抗结冰、流体减阻、热传递等领域展现出巨大的应用潜力。 接触角大于150°、滚动角小于10°是超疏水材料表面的典型特征。又根据超疏水状态下液滴与表面黏附力的不同，将超疏水材料的形态分为五种，分别是： Wenzel态、Cassie态、“荷叶态”、Wenzel－Cassie态和“壁虎态”。 这五种形态中水滴与表面的黏附力极小，且滚动角α＜10°的“荷叶态”是目前研究最为广泛的一种超疏水材料的状态。显微镜下荷叶的表面并不像它表现的那样光滑，它上面布满着密密麻麻的突状结构，突状结构之间充斥着空气，形成了一层极薄的空气膜，再加上荷叶自身分泌的植物蜡质，共同造就了荷叶的疏水和自清洁效应。 图2 接触角和滚动角示意图 近日, 加拿大西安大略大学教授杨军课题组、中科院化学研究所宋延林团队、青岛大学副教授赵胜东等合作，发现了荷叶等自然界中超疏水结构可以增强水气间声波透射的新效应。该效应可作为“声窗”增强水上水下声音通信，在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要意义。相关研究已在Research、《ACS应用材料与界面》等期刊发表。 这项新研究具体来说是怎么样的？对理解超疏水材料有什么意义？ 2、跨越“水气屏障” 随着人类对海洋资源的开发利用，水上和水下通信变得十分重要。 在空气中，电磁波和声波都可作为载体来传播信息。但由于电磁波在水中衰减很快，水中通信一般只能依靠声波进行，因此，声波成为潜在的海洋、大气和陆地间直接信息交流的工具。 “当声波遇到水面时，会在水气界面遇到‘水气屏障’。”宋延林告诉《中国科学报》，“声波穿过水气界面时能量损失巨大，只有约0.1%的能量能透射过去，其中绝大部分都反射掉了。” 例如，对于一个频率为500赫兹的声波平面波，其每公里被海水吸收约0.025分贝, 而声波穿越水气界面的损失约30分贝，相当于声波在海洋中传播1200公里距离海水吸收所造成的损失。因此，水气界面是声波传输中难以逾越的屏障。此外，水气间的声波传输还面临不稳定、声学超材料工作频率低于声呐工作频率、声呐工作频率的宽角度透射问题还未解决等诸多挑战。 近年来，研究人员利用疏水或超疏水特性，在水中捕获阵列化的气泡结构，研究其声学性质，并实现了多种声学应用，发展出“超疏水声学”。比如，受超疏水结构启发创建的气泡阵列，用于声学反射超表面来增强水下声波反射，以及利用疏水结构或者荷叶等在水面附近处捕获气泡层，创建声学透射超表面，其可作为“声窗”增强水下和水上的声波通信。 3、构建“声窗” 在一个30厘米见方的透明水槽中，漂浮着工作人员精心设计的3D打印疏水结构。 实验装置刚启动，“嗡嗡”的蜂鸣声立即“刺进”耳膜。工作人员伸出双手，将这种疏水结构缓缓抬起，随即慢慢放下。一起一落间，那“嗡嗡”声似乎从我们面前去了遥不可及的远处，未及我们作出反应，它又倏而返回。 “在实验中，我们还验证了荷叶等超疏水结构的‘荷叶透声效应’。”该论文第一作者、加拿大西安大略大学博士后黄占东告诉《中国科学报》，“声波通过这种超表面时，透过率可增强20分贝以上，这种超表面好似在水面处为声波传输打开了一个‘窗户’。” 虽然“荷叶效应”已经被发现了100多年，然而，其超疏水效应产生的声学效应却很少被报道。 最初的实验中，研究人员直接把荷叶倒扣在水面上，来验证荷叶表面的声学透射性。由于荷叶具有超疏水性，在荷叶表面和水层之间会产生一个极薄的空气层，激光共聚焦测量显示，此空气层的厚度大概为20微米。 “这样在水面就形成了一个以空气层为弹簧、以荷叶自身质量为振子的弹簧振子系统，此弹簧振子的共振频率处，水气间的声波透射可以得到数百倍的增强。”黄占东说，“需要注意的是，只有荷叶倒扣在水面上才会有这样的效果，正常生长的荷叶没有这样的效应。” 研究人员分析了荷叶结构的振动模态，发现其为荷叶自身振动模态和弹簧振子系统振动模态的叠加。但在荷叶本征频率附近，并不具有声波透射增强效果，因而其透射曲线上会有很多断点。 通过推导和分析，研究人员解释了这一现象，并通过模拟证明，用增大荷叶模量的方法消除了这些断点。这证明了荷叶等超疏水结构漂浮在水面上时，形成的微米级的气层可用于水气声波透射，能够克服目前水气界面声波传输的难题。 4、锁定超疏水铝片 “荷叶具有季节依赖性、结构脆弱性、物理参数难以调控等弱点。”中科院化学研究所博士生赵志鹏告诉《中国科学报》，“而且，其自身本征振动会对增强效果产生不良影响，因此寻找替代性人工材料具有重要的实用价值。” 通过多种超疏水材料比对，研究人员将荷叶替代材料锁定在超疏水铝片上。首先，铝的弹性模量（材料受力状态下应力与应变之比）比荷叶大5个数量级以上，可以忽略自身振动模态对透射效果的影响。其次，铝片的可加工性很强，可以灵活地改变自身质量和表面疏水微结构，从而灵活调控工作频率。 研究人员分别用激光刻蚀、湿法刻蚀和喷涂法制备了不同的超疏水结构，展示了其在不同频率下的增透效果。实验表明，当他们制备的超疏水结构正面朝下时，可捕获气层形成超表面，其超疏水效应可“将原来被反射掉声波的透射率提高400倍以上”。 “制作这种超疏水铝片工艺简单，成本也很低，我们印刷版材有类似的工艺。”宋延林说：“而且，此超表面允许声波从水中以不同角度向空气中入射（宽角度透射），这在应用上，能真正实现水下和地面信息的方便互联。” 研究者认为，这种超表面在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要应用前景。未来该超表面可以用于机载声音传感器系统对水下物体进行检测和成像，有望实现在空气中对水下物体如鱼群等成像和监控，以及水下机器人的远程操作等。此外，该超表面还可在空中搜索海底的黑匣子、监测黑匣子发出的信号等。 5、超疏水材料的应用 古人们就有了利用超疏水材料的意识。油纸伞就是这种材料应用的初步探索。相传在春秋战国末年，最开始的雨具是由鲁班为妻子避雨而发明的工具。他将竹子劈成细条，编制成了最开始的伞架；伞面还不是轻巧的宣纸，而是动物的皮草。 后来，随着纸张的发展，人们就想到了在伞面上铺就浸透天然桐油的宣纸，一来减轻了伞本身的重量，二来也达到了较好的疏水效果。在油纸伞的制作过程中，至关重要的一步工艺便是刷桐油。生桐油是不能直接刷涂的，因此熬制熟桐油是第一道工序。桐油熬好后，就要用棉布沾满桐油涂刷在伞的阴阳两面上，重复三次。 自然晾干后，还需再涂一遍桐油，这样才能保证油纸伞在雨中表现出较好的疏水性能，不被浸坏。 图4 雨中的油纸伞 油纸伞盛行在水光潋滟的江南，“文化、历史、怀旧”这些附着在油纸伞上美好而典雅的标签，带着浓郁的“古老华夏民族”的符号意义。现在的油纸伞，以其精美的图案，复古的造型，承载着古人精湛的工艺，勾连着人们怀旧的情愫。 超疏水材料在现在也占据着广阔的应用领域。 （1）医用方面 超疏水材料的显著特征是不润湿，不湿润就意味着降低了细菌接触的可能，从而使这类材料表现出抗菌和自清洁性能。医学上抓住了这个新的思路，抑制了细菌的繁殖，防止了伤口的感染和溃烂。江雷院士就是利用超疏水粗糙表面间隙留存的空气，迫使肽聚糖和底物之间的接触区域变到最小，基于这些空气层来抑制和减小细菌等的黏附，从而抑制生物膜的形成，降低感染的可能性。 （2）日用方面 雨过天晴后，荷叶表面光洁如新，这是由于超疏水材料具有的自清洁性能。利用这一性能，叶向东等人在建筑墙体的防护上用到了超疏水材料。运用了超疏水材料的墙面相较于普通墙面更干净，减少了人工打扫的成本。 这是因为覆盖了超疏水表面的墙体上，附着在上面的颗粒及液体污染物容易通过水流的作用被带走。在纺织品上应用超疏水材料，也可以表现出不粘附、自清洁的性能。 即使酱油滴在衣服上也不会留下污渍，这样具有优良性能的纺织物可以满足人们日常生活的多方需求。户外玻璃，太阳能电板以及高层建筑的外墙都应用了超疏水材料的这一性能。 图5 疏水玻璃 （3）在军用方面 军用武 器装备的超疏水材料应具备更多优良的性能以面对更苛刻的外部环境，比如耐磨、防雾等综合防护能力。2017年4月，密歇根大学受多方资助，合力研制出一种高耐磨性超疏水涂料。该涂料由氟化多面体低聚倍半硅氧烷（F-POSS）低表面能材料和氟化聚氨酯高弹体（FPU）粘合剂混溶制成的。 在防雾方面，超疏水材料以多尺度的表面结构，抑制了潮湿环境中的雾气凝结，从而达到有效保护光学器件等重要设备的目的。 图6 应用了疏水材料的武 器 从亭亭净植的荷叶，到撑着油纸伞的姑娘，再到我们生活中随处可见的现象。超疏水材料的应用贯通古今，包罗万象，呈现出蓬勃的生命力。 与此同时，我们也要关注到超疏水材料面临着的许多难题，而对于科研工作者来说，环境友好型、成本低廉，工艺简单的超疏水材料的研发又是重中之重。 相信在未来将开启超疏水材料的新纪元。 原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_518841.html 来源：贤集网 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。 |
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