電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用

仿生荷葉的超疏水材料由於其獨特的固-液界面性質,在表面自清潔、生物防污、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出瞭巨大的應用潛力,隨之又發展出瞭一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統理論。以江雷院士團隊、David Quéré 教授團隊等為代表的國內外廣大研究群體在固液界面材料研究領域建立瞭堅實的理論和應用基礎,並取得瞭豐碩的研究成果[1-4]。

一般情況下,材料表面實現超疏水性需要借助微/納米粗糙結構和低表面能截留空氣並托起液滴,實現Cassie-Baxter態的同時創造低的固-液接觸。然而,微/納米粗糙結構在機械載荷下會產生極高的局部壓強,使其易碎易磨損。此外,磨損會暴露底層材料,改變表面的局部化學性質使其從疏水性變成親水性,導致水滴釘紮。長期以來,人們認為表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個性能,正所謂“魚和熊掌,不可兼得”。因此,如何保證在擁有良好超疏水性能的同時,又能實現較強的機械穩定性,是當前超疏水材料面對實際應用亟待解決的關鍵難題 [5]。

電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用

最近,Nature 正式刊發瞭電子科技大學鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”,並被選為當期封面。該工作提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,通過在兩個結構尺度上分別進行最優設計,為超疏水表面創造出具有優良機械穩定性的微結構“鎧甲”,解決瞭超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。該工作第一作者為電子科技大學基礎與前沿研究院博士生王德輝,這是電子科技大學首次以第一單位在Nature 上發表研究成果,標志著電子科技大學在材料表面科學研究域取得瞭重大突破。合作者還包括:芬蘭阿爾托大學Quan Zhou教授、電子科技大學陳龍泉教授和朱順鵬教授、北京理工大學周天豐教授、香港城市大學王鉆開教授、佈魯克納米表面研究中心Fan-Yen Lin博士、漢能光伏何博博士等。

電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用
微結構鎧甲的設計

通常,減少固-液接觸是增強表面超疏水性的常用手段,根據Cassie-Baxter方程,固-液接觸面積的減小,有利於提高表觀接觸角和降低滾動角。但由於接觸面積的降低,必然導致微/納結構承受更高的局部壓強,從而更易磨損,這就意味著超疏水性和機械穩定性在提高一種性能時必然導致另一種性能下降。該論文基於全新思路,首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,並提出微結構“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結構設計原則,利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術將裝甲結構制備於矽片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面,與超疏水納米材料復合構建出具有優良機械穩定性的鎧甲化超疏水表面。

電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用

電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用
鎧甲化超疏水表面展現出優秀的機械穩定性

該工作在集成高強度機械穩定性、耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時,還實現瞭玻璃鎧甲化表面的高透光率,為該表面應用於自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建築玻璃幕墻創造瞭必要條件。研究人員將該表面應用於太陽能電池蓋板,實現瞭依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式,為少雨地區提供瞭自清潔太陽能電池面板的解決方案。基於玻璃裝甲化表面的自清潔技術可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵、鳥類糞便等污染,長期維持太陽能電池高效的能量轉換,並節省傳統清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。該論文創新的設計思路和通用的制造策略展示瞭鎧甲化超疏表面非凡的應用潛力,必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。

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高透光率的玻璃鎧甲化超疏水表面應用於自清潔太陽能電池板。

全文鏈接:

Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin, Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou, Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng,Design of robust superhydrophobic surfaces,Nature, 2020, 582, 55–59, DOI: 10.1038/s41586-020-2331-8

參考文獻:

  1.  Lin Feng, Shuhong Li, Yingshun Li, Huanjun Li, Lingjuan Zhang, Jin Zhai, Yanlin Song, Biqian Liu, Lei Jiang, Daoben Zhu.Super‐hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Adv. Mater., 2002, 14, 1857-1860
  2. Yongmei Zheng, Hao Bai, Zhongbing Huang, Xuelin Tian, Fu-Qiang Nie, Yong Zhao, Jin Zhai, Lei Jiang. Directional water collection on wetted spider silk. Nature, 2010, 463, 640-643
  3. David Quéré. Wetting and roughness. Ann. Rev. Mater. Res., 2008, 38, 71-99
  4. Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nat. Mater., 2019, 18, 936-941
  5. Xuelin Tian, Tuukka Verho, Robin HA Ras. Moving superhydrophobic surfaces toward real-world applications. Science, 2011, 352, 142-143

課題組介紹

電子科技大學首次以第一單位發表《Nature》,推動超疏水表面走向應用

鄧旭,電子科技大學基礎與前沿研究院教授,材料表面科學研究中心、德國馬普學會夥伴小組聯合實驗室負責人,主要研究領域為材料表面科學、物理化學、仿生工程等。

已在Science, Nature, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letter, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等國際著名期刊上發表文章60餘篇,並被Nature,Nature Nanotechnology,Nature Physics,MIT Technology Review等國際知名學術媒體多次專題報道。

作為主要發明人獲得歐洲發明專利3項,美國發明專利2項,中國發明專利5項。

榮獲四川省學科技術帶頭人(2019)、國際仿生學會青年委員(2019)、中國化學會仿生材料化學委員會委員(2019)、中國十大科技新銳人物(2019),中國化學會首屆菁青化學新銳獎(2019)

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