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仿生研究部在仿生超疏水纳米结构的制备及表面粘附力调控研究方面取得新进展
2009-11-06| 文章来源:纳米仿生部 朱杰| 【

  在国家自然科学基金和中科院专项基金支持下,我所纳米仿生研究部高雪峰博士课题组通过与厦门大学、化学所等单位紧密合作,在超疏水纳米结构的设计、制备及表面粘附力调控方面取得新进展,相关研究结果近期发表在《先进材料》(Advanced Materials, 2009, 21, 3799–3803) 上。

  近年来,随着纳米技术的发展,科研人员利用疏水材料构筑微纳米结构或在微纳结构表面修饰低表面能化学物质可以赋予材料表面超疏水性能(与水的接触角大于150°)。尽管微纳结构可以极大地增强表面与水滴的接触角,但未必能消除水的粘滞。一方面,某些粘滞力可控的超疏水表面在特定领域发挥作用,可作为“机械手”用于微液滴的无损输运;另一方面,非粘性超疏水表面显示出各种优异的性能,可用于材料表面的自清洁和减阻。很显然,纳米结构的制备及表面粘附调控问题已成为超疏水材料研究领域的热点课题。

  基于表面粗糙度增强表面疏水性和毛细力产生粘附力的原理,他们设计并制备了三种超疏水二氧化钛纳米多孔结构:纳米孔阵列、纳米管阵列和类火山石纳米结构。研究表明:超疏水多孔纳米结构的表面粘附力受以下因素的控制:1)纳米结构的几何表观形貌,它们通过固—液接触方式(“面接触”、“线接触”、“点接触”)来实现微尺度下范得瓦尔斯吸引力的调控;2)毛细孔与开放孔的比例,凡是能被液-气界面密闭的孔洞被称之为毛细孔,调控毛细孔的大小和密度可以实现微尺度下毛细力的调节;调控毛细孔长度可实现液—固分离前密闭的气相体积及负压大小的调控。

  对于超疏水纳米孔阵列、纳米管阵列和类火山石纳米结构模型而言,它们与水的黏附力从高到低可变,在不改变化学组成的前提下,仅通过纳米结构形貌就可以实现表面黏附力的调控,水滴在表面从牢牢黏附到瞬间滚动可控。研究成果有助于深入理解超疏水表面黏附机理以及设计面向应用的新型超疏水纳米材料。

  纳米多孔结构控制超疏水表面粘滞力从高到低变化的示意图:

  a,毛细力产生示意图,当水与管口分离时,三相界面上液面的弯曲将会产生毛细力,力的方向始终指向弯曲液面的凹面;b,纳米孔阵列表面高粘滞示意图;c, 纳米管阵列表面可控粘滞示意图;d, 超疏水类火山石三维纳米多孔结构及其极低粘滞力的示意图。

 
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