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仿生超疏水纳米结构制备研究

  仿生超疏水纳米结构的制备

  纳米多孔结构控制超疏水表面粘度从高到低的变化示意图:a,毛细管力产生示意图,当水从喷嘴分离时,液体表面在三维空间上的弯曲,相界面会产生毛细力,力的方向总是指向弯曲液面的凹面; b,纳米孔阵列表面的高粘度图; c,控制粘贴图; d,超疏水火山三维纳米多孔结构及其极低粘度图。中国科学院国家自然科学基金和中科院特殊基金资助项目,中科院苏州科技学院纳米仿生研究室高雪峰博士与厦门大学紧密合作,近期表面附着力的设计,制备和控制已取得进展。这些研究的结果最近发表在Advanced Materials,2009,21,3799-3803。近年来,随着纳米技术的发展,研究人员利用疏水性材料构建微纳结构或微纳结构表面改性的低表面能化学材料,可以赋予超疏水表面性能(水接触角大于150°)。虽然微纳米结构可以大大增强与水滴的表面接触角,但不一定消除水的粘度。一方面,某些粘滞力控制的超疏水表面在特定的领域发挥作用,并作为微小液滴的非破坏性运输的“机器人”另一方面,非粘性超疏水表面显示出优异的性能,用于材料表面的自清洁和减阻。显然,纳米结构和表面附着调控的制备已经成为超疏水材料研究领域的热门话题。基于表面粗糙度的原理,提高表面疏水性和毛细作用力产生附着力,研究人员设计并制备了三种超疏水性二氧化钛纳米多孔结构:纳米孔阵列,纳米管阵列和类火山石纳米结构。结果表明,超疏水多孔纳米结构的表面附着力受下列因素控制:1)纳米结构的几何形貌以固液接触模式(“表面接触”,“线接触”,“点接触”)表征,控制微尺度范德瓦尔斯吸引力; 2)毛细孔与开孔之比,任何可被液 - 气界面封闭的孔称为毛细管,其控制孔的大小,密度可实现微尺度的毛细管力调节;在封闭气相体积和负压调节的液液分离之前,可以实现毛细管长度的调节。对于超疏水纳米孔阵列,纳米管阵列和类火山岩纳米结构模型,它们对水的粘附性是由高到低变化的,化学成分没有变化,只有通过纳米结构形态才能控制表面粘附,并且可以控制水滴从牢固的粘附到表面上的瞬间滚动。研究结果有助于了解超疏水表面吸附机理,设计新型应用型超疏水纳米材料。

  关键词:纳米结构

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