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自然的启示——超浸润仿生材料  

2017-08-07 08:41:12|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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近日,西安交通大学的研究人员发现了于蒲公英种子的一种新的浸润现象,在油水分离、液滴操纵等领域有重要应用。作者通过实验发现,蒲公英种子可以通过多根冠毛纤维的协同作用,实现液滴操纵(如抓取液滴等)。因为蒲公英种子表面具有疏水亲油的特性,种子在抓取液滴的过程中,只在水中形成弯液面而不浸入水中,但可以直接浸入油中。该特性可实现油水分离,用于清理海洋的石油泄露问题。  

仿生多尺度超浸润界面材料是20 世纪90 年代末以来迅速发展起来的一类新型功能材料, 通过向自然学习, 揭示生命体系内具有超浸润界面性质的机理, 为超浸润材料的研发找到科学依据。除了上述蒲公英种子,自然界中还有其他有趣的超浸润现象,今天带各位简单了解一下。

超疏水自清洁表面——荷叶表面

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荷叶素有“出淤泥而不染” 的清誉,荷叶上滚过的露珠和雨滴往往能带走灰尘和污垢。荷叶表面上的液滴呈现出160° 左右的接触角, 并且液滴可以容易地从荷叶表面滚走并带走附着的灰尘,这种卓越的自清洁功能被称作荷叶效应(lotus effect)。荷叶表面的微米乳突结构以及蜡物质是其拥有自清洁功能的关键,在荷叶表面的微米乳突上以及乳突之间存在着树枝状的纳米结构,这种多尺度结构在荷叶与液滴之间形成了空气层,有效地阻止了乳突之间被水润湿。 基于荷叶效应的发现与深入研究, 科学家通过构造微纳米多尺度结构结合疏水物质制备了各种各样的仿生超疏水材料, 这也成为超浸润材料研究的基础。自清洁玻璃等材料已经被广泛应用到了日常生活中。

各向异性超浸润表面——水稻叶片、蝴蝶翅膀

与荷叶不同,水稻叶片拥有着各向异性的浸润性表现。水稻叶片具有线形定向排列的突起阵列以及一维的沟槽结构。在水平于叶片生长的方向上, 液滴的滚动角为3°—5°, 在垂直方向滚动角则为9°—15°。 稻叶表面乳突结构的线性定向排列为液滴提供了在两个方向上浸润的不同的能量壁垒。

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蝴蝶翅膀也是一个典型的各向异性浸润现象的案例。 蝴蝶翅膀扇动时, 水滴会沿着轴心放射方向滚动从而使得液滴不会沾湿蝴蝶的身体。蝴蝶翅膀的表面呈现出方向性浸润特性的原因是其表面被大量的沿着轴心放射方向定向排列的微纳米鳞片覆盖,这种高度方向性的微纳米结构有效地影响了水滴的润湿表现,使得水滴可以轻易地沿着放射方向滚走, 同时会在相反方向嵌住。这种各向异性的黏附, 使得蝴蝶翅膀可以在湿度环境下定向清洁, 从而保证蝴蝶飞行时的稳定性,避免灰尘的堆积。

超疏水高黏附表面—— 玫瑰花瓣、壁虎脚

荷叶上的液滴可以轻易滚落,而玫瑰花瓣上的液滴却往往牢固地附着在表面。这些附着的小液滴可以使玫瑰花保持鲜丽水润的外观,只有比较大的液滴例如雨滴才可以从玫瑰花瓣滚落。玫瑰花瓣表面由微米尺度的乳突组成,而在乳突的尖端则是许多纳米尺度的折叠结构,而这种纳米折叠结构正是导致玫瑰花瓣高黏附特性的关键因素。

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壁虎可以在光滑的墙面高速灵活地移动, 这归功于具有超高黏附作用的壁虎脚。壁虎脚的表面为良好排列的微米刚毛(长度约为110nm,直径约5nm),这些刚毛的末端则为上百个更小的纳米尺度末端组成。由壁虎刚毛纳米末端和固体表面接触所产生的范德华力则是壁虎能够在各种角度墙面爬行的关键因素。

高强度超疏水表面——水黾腿

科学家们揭示了水黾在水面上站立和行走的秘密,这就是其多毛腿部的强大超疏水性。水黾在水面站立时,其腿部与水面形成了大约4 mm深度的涡旋而不是刺入水面下方,每一条腿所具有的强健持久的超疏水作用力可以支撑其大约15 倍的体重。同时,水黾腿部的特殊微观结构也被发现,大量有序的条状微米结构覆盖了水黾的腿部,这些微米结构以约20°的角度定向排列,而每个微米条状结构又由呈螺旋状的纳米沟槽组成。 这种独特的分层微纳米多尺度结构可以在水黾腿与水面之间有效地捕捉气体而形成有力的气膜,水黾腿的强健超疏水能力为设计全新的水栖设备带来了灵感。

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超疏油自清洁表面——鱼鳞

鱼鳞在水下表现出了良好的自清洁和减阻的性能,科学家揭示了鲫鱼鱼鳞的水下超疏油和空气中的超亲水的性能。鱼鳞通常会被一层很薄的黏液覆盖, 这为鱼鳞提供了很强的空气中亲水性能,扇形的鲫鱼鳞片密集排列,而在鱼鳞上则有定向排列的长度100—300 nm、宽度30—40 nm 的微米尺度乳突以及乳突上的粗糙纳米结构。这种多尺度的组合结构可以在水下轻易地捕捉到水,从而形成一个复杂的水相界面而导致疏油特性,这在鱼鳞逆转被油浸湿的过程中起到了关键的作用,这在油/水/固系统中有着潜在的应用。

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目前为止,超浸润界面材料已经在传统催化、电化学等领域取得了重大成就,未来在对超浸润材料的深入研究基础上,发展规模化制备技术,实现仿生多尺度超浸润界面材料在资源、能源、环境和生物医学等领域的广泛应用指日可待。

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