吉林大学杨柏教授课题组《ACS Nano》：基于低长径比多级圆柱阵列的水下超疏油表面

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表面超疏液（superantiwetting）性质对材料的理化性质（如：黏附，摩擦，催化等）具有显著影响，因而通过在表面构建微米或纳米结构可实现超疏液表面的构筑，进而拓展不同材料在自清洁，减阻，防结冰，抗生物黏附等领域的应用。目前绝大多数超疏液表面是基于无规结构或具有高长径比的有序微纳结构实现的。较之于无规结构难于调节和重复构筑，有序微纳结构因其结构及特征参数易于调控越来越受到人们的青睐。但高长径比所带来的无机结构的脆性或者有机结构的聚集塌缩现象会极大降低超疏液表面的浸润性和耐用性，因而构建基于低长径比结构的超疏液表面变得尤为重要。

近日，吉林大学杨柏教授课题组通过微纳加工方法构筑了基于低长径比多级圆柱阵列的水下超疏油表面，证实了利用低长径比有序微纳结构制备超疏液表面的可能，为利用低长径比结构构建超疏液表面提供了一种新的思路。该研究以“Underwater Superoleophobic Surface Based on Silica Hierarchical Cylinder Arrays with a Low Aspect Ratio” 为题发表在ACS Nano上。论文第一作者为吉林大学化学学院博士毕业生刘文东，目前在德国马普高的分子研究所Hans-Jürgen Butt课题组进行博士后研究，通讯作者为杨柏教授和刘文东博士。

图1 基于低长径比多级圆柱结构表面的构筑（a）及表面浸润性质调控（b）

该工作中，研究人员通过结合胶体刻蚀技术和光刻技术，构筑了基于低长径比二氧化硅多级圆柱阵列（HCAs）的水下超疏油表面。首先，利用光刻技术在基底表面制备光刻胶点阵，并以光刻胶图案为掩膜，将暴露的二氧化硅基底用氟等离子体蚀刻以获得微米尺度二氧化硅圆柱阵列。微米级点结构的直径为20微米，相邻点的中心距为40微米。而后在微米级圆柱图案表面组装二维六方密堆积聚苯乙烯（PS）微球，并用氧等离子体处理以蚀刻微球阵列达到非紧密堆积状态。最后，以非紧密堆积状态聚苯乙烯微球阵列为模板刻蚀基底，形成集成有微米级和纳米级圆柱阵列的多级结构。所制备的多级结构的特正参数可通过调控蚀刻条件进行调节，同时其表面浸润性质可通过不同分子修饰实现从水下超疏油状态（OCA为161°）转变为亲油状态（OCA为19°）。与已报道的研究相比，微米结构和纳米结构的长径比大大降低，但保持了超疏液性质。除了将纳米圆柱集成在凸起的微米圆柱体之外，也可在凹陷的微阱阵列中构筑此类低长径比纳米结构进而获得超疏油表面。这种多级结构实现了微米结构和纳米结构在同一基板上的集成，为构建基于低长径比结构的表面并将其引入不同基底和器件提供了基础。

图2  温度控制的水下-油浸润性转变.（a）PNIPAAm修饰的HCAs在20-75°C温度区间油的可逆浸润性转变;（b）20°C和75°C条件水下油滴在PNIPAAm修饰的HCAs表面上的接触角.

除小分子修饰外，在表面进行温度响应性PNIPAAm接枝可实现温度控制的表面浸润行为转变。当接枝的PNIPAAm达到最佳厚度（45 nm）时，结构化表面仍可维持水下超疏油性质。当温度从20°C升高到75°C时，PNIPAAM-g-HCAs的水下OCA从153°降低到31°。通过降低温度，油的润湿行为可以恢复到原始状态，实现了温度控制超疏油性质和亲油性质之间的可逆转变，且润湿性转变具有很好的重现性和稳定性，进一步展现了将低长径比多级结构用于水和油的分离，过滤，微反应器，芯片实验室设备等方面的潜力。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04670

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