西工大刘维民院士团队在功能化纳米液态金属研究方面取得研究进展

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镓基液态金属（GLM）因其良好的导电性、导热性、流动性和生物相容性，在柔性电路、靶向药物治疗和流体润滑等领域具有广泛的应用前景。然而， GLM液滴具有极大的表面张力（如Ga₇₅In，624 mN m^–1），难以进行加工处理，且表面容易被氧化而黏附在金属表面并造成腐蚀。因此，研究人员通常需要将 GLM进行纳米化，然而纳米化GLM液滴极其容易变形和团聚，严重影响着GLM液滴的存储和功能化。因此如何得到稳定且具有良好功能化的GLM纳米液滴及其复合材料是研究人员的热点方向。

近日，西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心刘维民院士团队通过聚多巴胺的表面修饰和迈克尔加成反应，获得了一种功能化的GLM纳米液滴，并将其应用于防污涂层的研究。研究人员首先将GLM液滴加入到盐酸多巴胺溶液中，超声过程中原位得到聚多巴胺修饰的液态金属（PDA-GLM）纳米液滴。由于修饰的PDA层具有丰富的活性基团，可以与含-NH₂的两性离子聚合物（PEIS）发生迈克尔加成反应，得到两性离子聚合物修饰的液态金属纳米液滴（PEIS-GLM）。

随后，研究人员将PEIS-GLM纳米液滴以填料的形式加入PDMS涂层中。由于PEIS修饰层的存在，GLM纳米液滴可以均匀地分散在PDMS中。由于液态金属的镓离子和两性离子聚合物PEIS协同杀菌的作用，及两性离子聚合物PEIS的水合性能赋予液态金属涂层的良好抗菌及防污效果（抑制90%以上的细菌黏附及70%以上的藻类黏附）。由于外力作用下暴露的液态金属能够诱导PDMS中未反应的乙烯基单体活化，从而发生进一步交联反应，故当液态金属基于的复合涂层受到外力作用破损后，其表面具有自修复愈合效果，可以有效地防止基底表面的腐蚀。

图1. PEIS-GLM纳米液滴和PEIS-GLM@PDMS防污涂层的制备示意图

图2. (a) 金黄色葡萄球菌（S. aureus）和 (b) 大肠杆菌（E. coli ）在不同涂层表面附着的荧光显微镜照片；（c）S. aureus 和（d）E. coli 在不同表面附着密度的统计结果；（e）杜氏藻（Dunaliella）和（f）紫球藻（Porphyridium）在不同表面附着密度的统计结果

图3. Q235钢表面受损涂层的腐蚀试验

聚多巴胺的表面修饰结合迈克尔加成反应可作为一种通用的表面改性方法，其功能化液态金属GLM纳米液滴具有广泛的应用前景。研究人员还通过此表面改性方法获得到了DDP (二烷基二硫代磷酸酯)功能化的GLM纳米液滴（DDP@GLM）。由于DDP的修饰有助于提高GLM纳米液滴在基础润滑油PAO中的分散性。因此其作为基础油添加剂，可以显著降低摩擦副表面的摩擦系数和磨损体积。

图4. DDP@GLM纳米液滴的制备示意图及相应的减摩抗磨机理

以上研究成果分别发表在Chemical Engineering Journal （Chem. Eng. J. 2022，427，131019）和ACS Applied Nano Materials（ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 10, 10115-10122）。论文的第一作者为西北工业大学材料学院博士生何宝罗，通讯作者为叶谦副教授和刘淑娟研究员。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721026012

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c02092

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