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中国科学家结果登上《Nature》封面!荷叶出淤泥而不染的“续篇”来了

3天前
导读
日前《自然》杂志封面表了邓旭教授团队最新科研结果,名为《设计坚固的超疏水外貌》的论文提出,通过为超疏水外貌“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方法,解决了超疏水外貌机械稳定性不敷的要害问题。

撰文 | 陈振鹏、盛利(科技日报记者),本文来自“科技日报”。


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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”外貌的超疏水性有干系。


受上述自然现象的启,人们逐渐掌握了制备超疏水质料以实现自清洁的“秘密”——其对水具有极好的排斥性,水滴在其外貌无法铺展而保持球状且极易滚动,滚动过程中可以带走外貌埃,从而到达自清洁效果。


但是,这种超疏水质料外貌结构十分脆弱,难以实现遍及应用。如何给超疏水质料外貌“披上”坚固“铠甲”?未来这种新型外貌会有哪些应用?记者6月8日从电子科技大学获悉,日前《自然》杂志封面表了该校基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研结果,该篇名为《设计坚固的超疏水外貌》的论文提出,通过为超疏水外貌“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方法,解决了超疏水外貌机械稳定性不敷的要害问题。


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该论文在《自然》杂志封面刊。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和污垢很容易被露珠和雨水带走,从而保持外貌的清洁。近年来,源于动植物仿生学的超疏水质料由于其奇特的物理性质,在外貌自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及热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宽大研究群体在固液界面质料研究领域建立了坚实的理论和应用基础,并取得了丰富的研究结果。


“然而,由于需要借助微纳米粗糙结构,超疏水质料更易磨损破碎。”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,这种磨损也会袒露底层质料,改变外貌局部化学性质,使其从疏水性酿结婚水性,导致水滴钉扎。


“通常,统的质料外貌一旦引入超疏水性后,它的抗磨损性能就不会太好。”他说,好比轻微触碰、沙暴袭击等都可能导致其超疏水性能“失效”。因此,如何包管质料外貌既有良好超疏水性,又兼具较强机械稳定性,是当前超疏水质料走入实际应用领域亟须解决的关建难题。


“凭据已有科学研究,人们认为质料外貌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法来增强疏水性的同时,也会导致微/纳米结构蒙受更高的局部压强,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一定导致另一种性能下降。”



超疏水外貌如何加固?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质料外貌装上“铠甲”,实现同一质料外貌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标准进行几何设计;另一方面,若想获得更好的超疏水性则要在纳米标准进行结构优化。”王德辉说,凭据通例思路,很难在同一标准实现上述两种性能的兼容。


能不能试试拆分处理惩罚呢?论文通讯作者、电子科技大学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差别的结构标准,再利用微结构给超疏水纳米质料提供坚固“铠甲”以防备磨损。


“微结构就是做到微米乃至更宏观级别,比力耐磨耐用,仅提供机械稳定性掩护纳米质料免遭磨损;而被掩护的纳米结构则主要包袱超疏水性。”王德辉说,这样通过优化设计后制备的微结构“铠甲”就可以很好掩护超疏水纳米质料免遭摩擦磨损,从而构筑出铠甲化超疏水外貌。


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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阐发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、玻璃等普适性基材外貌,与超疏水纳米质料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水外貌。


这种微细加工技术要精确到何种水平呢?“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,标准越大,对摩擦磨损越不敏感。



新技术已用于自清洁太阳能电池




记者了解到,目前研究人员已经将这种新型超疏水质料外貌应用于太阳能电池盖板。


王德辉说,新质料通过外貌依靠冷凝液滴清除埃颗粒的自清洁方法,将为少雨地区提供自清洁太阳能电池的解决方案。“别的,基于玻璃装甲化外貌的自清洁技术还可巧妙地利用雨或雾滴消除粉等污染,长期维持太阳能电池高效的能量转换,并节省统清洁过程中必须的淡水资源和劳动力本钱。”他说。


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高透光率的玻璃铠甲化超疏水外貌应用于自清洁太阳能电池板示意图。受访者供图


王德辉说,团队还现该新型超疏水质料还兼具了耐化学腐化和热降解、抗高速射流打击和抗冷凝失效等综合性能。别的,新质料还实现了玻璃铠甲化外貌的高透光率,这也将为该外貌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。


“如何才华让酸奶干洁净净地倒出来?军舰、轮船等船体上如何减少贝壳等生物黏附?如何才华使机翼、军舰、高压输电设备防冻防结冰?超疏水外貌的用途十分遍及。”王德辉说,该论文展示了铠甲化超疏外貌特殊的应用潜力,必将进一步推动超疏水外貌进入遍及的实际应用。



来源科技日报

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