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江雷院士十年关于仿生材料、超疏水材料经典文献盘点
江雷教授在仿生功能界面材料的制备及物理化学性质研究等领域是绝对是名副其实的大牛,在2009年当选中科院院士时,年仅44岁。这不,今年2月份,江雷教授因在超疏水性和亲水性涂层方面的贡献当选为美国国家工程院外籍院士。
本文利用Web of Science核心合集为检索平台,以超疏水为主题检索词,对江雷教授近十年(2006-2016)的SCI论文进行了检索,除去综述文章后,挑选了被引次数≥100,或者年平均被引次数≥20的文章进行了整理和汇总,希望能给对超疏水感兴趣的亲们提供一些便利!
本文,作者介绍了一种非常简易可行的方法,构造了一种环境稳定性强的脂肪酸金属羧酸盐超疏水表面。这种超疏水表面对工业应用十分重要,对长期以来困扰人们的金属或合金材料的环境污染和锈蚀问题提供了解决方法。作者以铜板为例,只需将铜板或者任何表面覆盖铜的基板,在室温下浸渍在一种多碳脂肪酸溶液中,便可成功在铜板表面生成十分稳定的仿生超疏水表面,其本质上是生成了形似花朵的群簇涂层Cu(CH3(CH2)12COO)2,与水的接触角约为162°。这为工业化生产超疏水表面开拓了一条宽广的道路。
本文中,作者报导了一种具有可调的润湿性的双应激响应型表面,在超疏水和超亲水性之间发生可逆的转变,并同时对温度和pH值具有响应性。作者在平整和粗糙的硅基片表面制备P(NIPAAm-co-AAc)薄膜(即N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚物薄膜)。超亲水性和超疏水性之间的可逆转变,能够在很窄的温度变化范围(约10℃)和很宽的pH值变化范围(约10)中发生。这种双应激响应行为是基于表面化学变化和表面粗糙度变化的结合。在单一的PNIPAAm薄膜只对温度响应性的基础之上,双应激性的P(NIPAAm-co-AAc)薄膜,由于加入了对pH敏感的丙烯酸组分,而对pH值产生了响应性。此外,这种共聚物的低临界共融温度(LCST)随pH的增加时可调的。
最近,利用毛细效应,通过从逐层组装的纳米粒子构造3D纳米多孔结构实现超亲水性。防雾的关键,是利用这种“湿”的策略,使得微米尺寸的雾滴迅速的铺展成均一的薄膜,从而避免了成核的雾滴对光的散射和反射。
大多数的防雾涂层是透明的,但也有很地方的应用并不需要透明性,例如油漆的溶胀和脱落问题,和金属的表面防锈蚀等。这些问题是由于水分的吸附造成的,超亲水涂层很难在这些领域应用。因此,就需要“干”的防雾策略,也就是利用超疏水技术使得水分或者雾滴无法在表面成核。在仿生学领域,对于莲花叶片的自清洁能力和能在水面行走的水黾腿微观结结构的研究对超疏水表面的设计具有启示作用。基于这种仿生而研发的超疏水材料应用在很多方面,也一直被认为能够作为防雾涂层使用,但根据General Motors的研究表明,莲花叶片能够被雾滴变“湿”,因为雾滴为微米大小,能够掉落在叶片微乳凸之间的空隙中。这也就表明,同类型的超疏水材料不适合用来解决这种防雾的问题,人需要新的解决思路。
本文,作者报道了一种新颖的生物型超疏水防雾策略。库蚊的复眼具有理想的超疏水性能,使其能够在潮湿的环境中保持视觉清晰。作者的研究表明,这种超疏水性来自于巧妙的精细的微米和纳米结构:六方非密堆积(ncp)的纳米尺度的乳突结构,能够防止微米大小的雾滴在小眼的表面凝结;而每个小眼之间为六方密堆积(hcp)能够防止雾滴进入小眼之间的空隙中。利用软光刻技术,以及对微米和纳米结构表面疏水性的研究,作者制造出了人工的“复眼”。这一成果将有望应用在超疏水防雾涂层中。
作者在多孔氧化铝薄膜模板上制备了成排的PS纳米管层。这种具有强粘附力的超疏水表面恰好有能够完全输运微液滴的优势。超疏水表面与水的接触角大于150度,能够避免润湿问题。液滴在这类表面往往保持准球形,从而减少了与固体表面的接触面积,有效避免了液滴的沉积。此外,强粘附力能够使得液滴精准的保持在应有的位置,没有滑动和旋转。作者利用超疏水表面实现了对超顺磁性微升级液体液滴的可逆性定向输运,并且在交变磁场中没有体积损失。
本文,作者介绍了能够通过自组装方法制备掺杂的聚苯胺(PANI)空心微球。通常,导电空心微球容易受到湿气、灰尘等环境因素的影响,而超疏水表面与水的接触角大于150度,具有很强的水排斥性,在实际应用中,能防冰雪粘附、交够通工具的自清洁等。作者认为,给具有微纳结构的导电高分子赋予超疏水特性,将十分有趣。
近期,一种ZnO纳米毛发组成的表面实现了超疏水和抗冰性统一结合,这主要基于这种材料的纳米结构和低表面能。作者受到蝴蝶翅膀微-纳结构特性的启发,并结合机械加工和晶体生长,对具同时具有稳定的超疏水性和抗冰性的表面微观结构进行了研究,研究了微米尺度结构和纳米尺度结构对表面性能的影响。
以上便是近年来江雷教授在超疏水领域影响力较高的文献简介。不知道大家对超疏水表面是否有了新的认识呢?