东南大学杨洪教授课题组：可在高度粗糙与完全平坦之间可逆变换的热响应型智能表面

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在外界刺激条件下，能够实现在高度粗糙与完全平坦之间可逆变换的智能表面材料，在防雾、自清洁、油水分离和生物技术等领域有广阔的应用前景，然而传统的利用拓扑结构变化制备的可变润湿性表面往往只能在高粗糙度和低粗糙度之间进行可逆调节(图1a)，而不是在高度粗糙与完全平坦之间可逆变换。液晶弹性体作为一种典型的双向形状记忆材料，能够可逆地从一种永久状态向另一种永久状态进行大的形状变形；因此，如果液晶弹性体薄膜能在一种永久态(状态1)有一个高度粗糙的微观拓扑结构表面，而在另一种永久态(状态2)却有着一个完全光滑平坦的微观拓扑结构表面，并且它可以可逆地、快速地从状态1变形到状态2，那么理论上来说这种薄膜就可以利用微观拓扑结构的变化实现高度粗糙与完全平坦之间可逆变换(图1b)。
图1  (a)文献中已报道的表面能在高-低粗糙度之间切换的表面，(b)设计的能在粗糙表面和光滑表面之间切换的液晶弹性体薄膜表面
受此启发，东南大学化学化工学院杨洪教授课题组利用挤压成型技术和两步交联法，制备得到了一种具有可变润湿性的液晶弹性体薄膜(图2)，该薄膜表面覆盖有取向良好的液晶弹性体微米柱，从而形成了具有微观拓扑结构的粗糙表面。由于液晶弹性体薄膜的双向形状记忆效应，在热刺激下，液晶相向各向同性相的转变可以引发薄膜表面从永久状态1向永久状态2转变，使得薄膜表面能够在高度粗糙到完全平坦之间的可逆变换，进而实现材料表面亲疏水性能的可逆变化。
图2  可变润湿性液晶弹性体薄膜的原料及制备示意图
扫描电子显微镜图片(图3)可以观察到，可变润湿性液晶弹性体薄膜表面覆盖有大量微米柱的微米柱，其在室温下呈现出规则的圆柱形，平均高度约为8.76 μm，平均直径约为22.73 μm，平均间隔约为15.91 μm。从金相显微镜和原子力显微镜图片(图4)可以看出，当可变润湿性液晶弹性体薄膜表面温度升高到其清亮点以上时，微米柱会全部消失，此时薄膜表面变得完全平坦，呈现亲水状态，其表面的水接触角数值为64°；而随着当温度再次降温回到室温25 ℃，平坦的薄膜表面又再次出现大量微米柱，薄膜也回复到之前的粗糙状态，重新呈现疏水状态，其表面的水接触角数值为135°(图5a，5b)。
图3  (a)单晶硅模板以及从(b)垂直、(c)倾斜和(d)平行角度观察的可变润湿性液晶弹性体薄膜表面的扫描电镜图像
图4  可变润湿性液晶弹性体薄膜表面在升降温过程中的金相显微镜及原子力显微镜图像
这种新型液晶弹性体薄膜表面的可逆润湿性在多次加热/冷却循环过程中表现出良好的稳定性(图5c)。在经过几个加热-降温循环之后，水接触角的数值变化非常小，液晶弹性体薄膜依旧可以在高温下保持亲水状态，同时在室温下保持疏水状态，证明该拓扑结构变化引起的润湿性能的改变具有良好的可逆性与稳定性。这项工作实现了智能表面材料在高度粗糙状态到完全平坦状态的真正可逆变换，这种热刺激响应型可变润湿性液晶弹性体薄膜智能表面未来有望在智能传感器、仿生控制设备等领域中得到实际应用。
图5  水滴在不同温度下在液晶弹性体薄膜表面的形状及其水接触角数值
王猛副研究员是该论文的第一作者，杨洪教授为通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金(基金号21971037, 51903048)和江苏省自然科学基金(基金号BK20180406)的资助。
该工作发表于Chinese Journal of Polymer Science。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10118-021-2617-9

来源：高分子科学

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