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超疏水材料新进展:出淤泥而不染,被刀划而不伤

超疏水材料 超疏水涂料 超疏水纳米涂层 超疏水涂层 超疏水喷雾 疏水性 疏水

西门无恨 发表于  2015-03-10 21:36

“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖…….” 北宋理学家周敦颐在《爱莲说》中用这样的诗句表达了对莲花品(rèn)格(xìng)的热爱。而在科技高度发展的今天,莲花“出淤泥而不染”这一特性,引起了国内外科学家们的兴趣。我们的故事就从荷叶的“自清洁”效应开始讲起。

荷叶本身是不沾水的,这是由于荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气,进而防止水将表面润湿。水滴在荷叶上形成一个球形,而不是铺展开来,像这样的表面,就是“超疏水表面”。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染,并且表面的灰尘,杂质也会被雨水带走。这便是荷叶“出淤泥而不染”的原因了。

荷叶表面(左)以及其在扫描电子显微镜下的形貌(右,比例尺为1 µm) 图片来源:左图:shutterstock友情提供;右图:参考文献[1]

荷叶这种自清洁性能被人们称为“荷叶效应”。近20年来,仿荷叶的人造超疏水表面不断涌现。然而,这项技术由于种种限制,一直未能大规模地应用。现有的很多超疏水表面,都容易被油污染失去超疏水性。为了解决这个问题,学者们又设法开发出了一种疏水疏油的超双疏表面[2],我也曾跟风研究了一下[3]。然而,机械出身的我在研究中发现,虽然双疏表面在自清洁方面略胜一筹,但对于一些需要润滑的零件就不适用了:比如轴承,齿轮这样的零件,如果连润滑油都排斥,就没办法愉快地工作了。

如果能找到一种被油污染,甚至浸润到油里,仍然可以自清洁的材料,或许就能解决这一问题。很快,我在从一篇仿猪笼草制备自清洁表面的论文[4]中得到了启示。这种表面利用微观粗糙结构锁住润滑油,使得液滴在滑落表面的过程中带走灰尘。那么我们的材料是否也可以做到这点咧?

一开始,我先将自制的疏水涂料涂在玻璃表面,然后将十六烷(柴油的主要成分)涂在疏水涂料表面。随后将该表面一半浸入十六烷中,一半暴露于空气中,将用一氧化锰粉末模拟的“灰尘”分别洒在表面上浸入油中和暴露于空气中的部分,用水冲洗。结果表明,即使被油污染,这种“猪笼草效应”仍然可以保证自清洁性能。在日常生活中和工业生产中,我们的材料常常会遇到食用油和柴油,以及室内室外的灰尘。于是我又选取了这些作为我实验的材料,重复了上述的自清洁实验。

油中实验过程。污垢分别使用公园里的土壤(Soil)和室内的灰尘(Dust)充当,油选用十六烷(Hexadecane)和食用油(Cooking oil)。经过疏水涂料处理的表面被部分浸润在油中,界面处撒有污垢。之后,研究者向表面滴水(为了便于分辨,水被事先染成蓝色),以清除表面上的污垢。 图片来源:详见参考文献[5]

在超疏水领域里,还有一个重要的问题——强度问题。由于超疏水表面依托于微米/纳米量级的微观结构,这种结构极易磨损,从而导致超疏水表面有着“不结实”的弱点。我也看到过网上一些很酷炫的超疏水喷漆,它们都无法回避强度问题:假如这些涂料很脆弱,那么自然不耐用;假如这些涂料强度很高,喷到头发或皮肤上怎么办?这东西疏水,所以用水洗没用,也肯定不能用丙酮什么的去洗。

说来也巧,一次无意中,我将自制的疏水涂料涂在透明胶的粘黏面上,却意外地发现无论用刀刮还是砂纸磨,都无法将涂料从胶上除去。那情形大致就好比抓一把尘土洒在胶上,粘上了,就很难再将尘土除去。基于这个启示,我尝试了用双面胶涂在玻璃表面,然后加入疏水涂料,形成类似三明治的结构——玻璃和疏水涂料分别粘结在双面胶两侧。这样一来,表面就变得非常坚固,甚至用砂纸交叉摩擦几十个来回,仍然可以保持表面超疏水性。

为了让疏水涂料更加广泛地应用于棉花,纸张,布料等软材料,我采用了喷胶,结果同样得到了耐磨的超疏水表面。在日常生活中,一个表面通常会经历的“暴力”遭遇包括手抹(例如墙面)和刀划(例如车),因此在表面强度测试中,我又加入了手抹和刀划测试。然而,被虐千百遍的疏水表面却依然待我如初恋,毅然坚挺地排斥着水滴。

经粘胶和超疏水涂层处理的表面,即便经过多次刀划,也仍然保持自清洁功能。图片来源:参考文献[5]

在进行各项其他实验之后,我和同事把研究结果写成论文,发表在了《科学》杂志上[5]。其实,这个研究的精髓并不在于把超疏水表面做到多强多耐磨,而是提供了一种思路——将超疏水领域的“脆弱”的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服。在具体的生产实践中,无论是大到挖掘机防水,还是小到自家涂墙,都可以根据需要选择属于自己的胶去做“中介”。换言之,胶有多给力,超疏水表面就有多给力。并且,相比于直接喷涂结实的超疏水涂层,这种两步法(胶+涂料)更加安全灵活。安全性体现在,如果不小心直接把超疏水涂料喷在皮肤上,拿个纸巾就可以擦掉;灵活性体现在,可以根据具体情况,选取合适的胶,进而调整超疏水涂层的强度。沿着这个思路,相信在不久的将来,会有更多更酷炫的超疏水材料出现。

本文作者是英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥,他们实验室的研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上,论文的第一作者陆遥应邀撰写此文。果壳网科学人欢迎更多科研工作者为我们撰稿,热情的邀请函在此

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. W. Barthlott, C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta (1997) 202: 1-8.
  2. A. Tuteja et al., Designing Superoleophobic Surfaces, Science (2007) 318: 1618-1622.
  3. Y. Lu et al., Preparation of Superoleophobic and Superhydrophobic Titanium Surfaces via an Environmentally Friendly Electrochemical Etching Method, ACS Sustainable Chem. Eng. (2013) 1: 102–109.
  4. T. Wong et al., Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity, Nature (2011) 477: 443–447.
  5. Y. Lu et al., Robust self-cleaning surfaces that function when exposed to either air or oil, Science (2015) 347: 1132-1135.

文章题图:Lu Yao

 
 
 

热门评论

  • 2015-03-10 22:21 毛骡 金属材料学博士

    这个发现相当可观啊。耐刮擦的防水涂层。可以用到汽车上了。

    [32] 评论
  • 2015-03-10 23:16 毛骡 金属材料学博士
    引用@GonFree 的话:居然杀一回一作君文章读来轻描淡写,谁知道背后花了多少苦功才能发science啊啊啊

    有苦工都发不了……疏水亲油的材料见过不少,但是能做到防刮擦的只此一家。这也是他们论文主打项。好羡慕是真的,我们做研究还是太拘谨了。

    [19] 评论
  • 2015-03-11 11:43 wolfccb DIY爱好者

    透光性怎么样?如果透光,前风挡就不用雨刷器了!

    以上。

    膜拜的老狼

    [6] 评论

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全部评论(145)
  • 1楼
    2015-03-10 22:21 毛骡 金属材料学博士

    这个发现相当可观啊。耐刮擦的防水涂层。可以用到汽车上了。

    [32] 评论
  • 2楼
    2015-03-10 23:16 毛骡 金属材料学博士
    引用@GonFree 的话:居然杀一回一作君文章读来轻描淡写,谁知道背后花了多少苦功才能发science啊啊啊

    有苦工都发不了……疏水亲油的材料见过不少,但是能做到防刮擦的只此一家。这也是他们论文主打项。好羡慕是真的,我们做研究还是太拘谨了。

    [19] 评论
  • 3楼
    2015-03-10 23:20 负离子.吹风机

    大家好我叫陆遥~~~~

    [1] 评论
  • 4楼
    2015-03-11 00:49 幽理之刻

    以後小屁孩跟中二都直接砸車了OWO?

    [0] 评论
  • 5楼
    2015-03-11 08:05 helium_he

    灵光一闪的天才想法?确实以前都没人想过呢……

    [0] 评论
  • 6楼
    2015-03-11 08:48 梦里行

    这个?

    能用在汽车上么?以气洗车业可以破产了

    [4] 评论
  • 7楼
    2015-03-11 09:00 费瓦

    期待尽早市场化!

    [0] 评论
  • 8楼
    2015-03-11 09:09 玩乐摩卡

    防刮擦,这个很棒啊,应用领域应该很广。

    不知道能不能做到强度好,透气性也好的程度呢?

    [0] 评论
  • 9楼
    2015-03-11 09:16 hi文艺小清新

    现在只想把这个用到车上

    [0] 评论
  • 10楼
    2015-03-11 09:24 ____________i_____

    .0. 哇厉害


    [0] 评论
  • 11楼
    2015-03-11 09:30 进城务工指南
    引用文章内容:我和同事把研究结果写成论文,发表在了《科学》杂志

    炫技。。。

    [0] 评论
  • 12楼
    2015-03-11 09:30 Cloudten

    这样想一想,在中间的基层涂上花纹,表面涂一层疏水层,当雨伞,做防护外套也很方便啊~

    [5] 评论
  • 13楼
    2015-03-11 09:45 酒酿培根

    期待这篇文章出现在今年某省的高考语文卷子上……

    [2] 评论
  • 14楼
    2015-03-11 09:56 爱抚

    用到马桶上..

    [2] 评论
  • 15楼
    2015-03-11 10:21 沉陷过往的愚者.

    为什么超疏水材料能让水在上面克服重力保持圆球形?

    [1] 评论
  • 16楼
    2015-03-11 10:40 木易多多

    感觉发展空间很大啊,一系列优秀发明的基础?前奏?

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-03-11 10:48 海海向上
    引用@沉陷过往的愚者. 的话:为什么超疏水材料能让水在上面克服重力保持圆球形?

    表面张力

    [0] 评论
  • 18楼
    2015-03-11 10:49 周同学
    引用@沉陷过往的愚者. 的话:为什么超疏水材料能让水在上面克服重力保持圆球形?

    不是克服重力,球形是因为水的张力

    [0] 评论
  • 19楼
    2015-03-11 11:01 马户麻麻

    胶带,神奇的物件,给予了智慧&勤奋的研究者们一次又一次的启发……

    [5] 评论
  • 20楼
    2015-03-11 11:12 qq11391

    视频超酷

    [0] 评论
  • 21楼
    2015-03-11 11:21 大懒成

    用在居家,沙发,洗手间,妙!!!

    [0] 评论
  • 22楼
    2015-03-11 11:43 wolfccb DIY爱好者

    透光性怎么样?如果透光,前风挡就不用雨刷器了!

    以上。

    膜拜的老狼

    [6] 评论
  • 23楼
    2015-03-11 13:09 oT_To
    引用@wolfccb 的话:透光性怎么样?如果透光,前风挡就不用雨刷器了!以上。膜拜的老狼

    高档车的玻璃都有做这个超疏水的表面处理。。。


    低档车可以买来涂,淘宝京东都有。。。

    [1] 评论
  • 24楼
    2015-03-11 13:16 惡之華

    透明胶真是灌水神器..

    [1] 评论
  • 25楼
    2015-03-11 13:35 绿林好汉

    改变现实生活的研究

    [0] 评论
  • 26楼
    2015-03-11 13:40 wolfccb DIY爱好者
    引用@oT_To 的话:高档车的玻璃都有做这个超疏水的表面处理。。。 低档车可以买来涂,淘宝京东都有。。。

    啊,我out了,谢谢。

    以上。

    滚去taobao的老狼

    [0] 评论
  • 27楼
    2015-03-11 13:46 阮郎_RunLong

    我想知道表面磨插系数大不大?

    [0] 评论
  • 28楼
    2015-03-11 13:46 Karlson

    想起首次石墨烯的提取了

    [5] 评论
  • 29楼
    2015-03-11 13:53 鹰之舞 生态学硕士

    从此再也不用洗车了哦也!

    [0] 评论
  • 30楼
    2015-03-11 14:04 Paradoxian

    好厉害……

    [0] 评论

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西门无恨
西门无恨 英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥

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