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向自然学习,化学所在仿生界面特殊浸润性的设

发布时间:2019-07-16 10:20编辑:化学科学浏览(54)

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    向自然学习,从自然中获得灵感和解决问题的思路,是现代科学研究的重要途径之一。中国科学院院长路甬祥在10月20日下午对化学所创新工程三期现场考核和评估时再次强调了向自然学习的重要性。

    化学所有机固体院重点实验室功能界面材料课题组,近几年来一直致力于仿生微/纳米界面材料的研究工作。自2002年应《先进材料》杂志邀请发表关于荷叶微/纳复合结构效应综述文章(Advanced.Materials. 2002,14, 1857-1860)后,最近,该研究小组再次受该杂志邀请以“Design and Creation of Superwetting/Antiwetting Surfaces”为题目撰写综述文章,发表在2006年第18期《先进材料》(Advanced. Materials. 2006,18,3063-3078)杂志上作者通过结合本研究组近年来的部分工作,对国际上该领域的研究工作进行了论述:表面浸润性的基本理论;具有超疏水性表面的构筑;具有超双疏性表面的构筑;具有超双亲性表面的构筑;具有超疏水以及超亲油性表面的构筑;具有超疏水以及超亲水可逆转变性能的表面。文章讨论了生物体表面具有特殊浸润性的原因,并论述了如何通过结合表面的微米/纳米复合结构以及表面能来实现对固体表面浸润性的调控。文章最后展望了具有特殊浸润性表面科学的发展趋势及其在基础研究以及纳米科技和现实生活中的应用前景。

    化学所有机固体院重点实验室江雷研究员领导的课题组,近几年来一直致力于仿生纳米界面材料的研究工作,并取得系列研究成果,最近应邀在《化学研究报导》 (Acc. Chem. Res. 2005, 38, 644) 杂志上发表综述文章,该文以“Bioinspired Surfaces with Special Wettability”为题,全面系统地介绍了该小组的工作,表明该研究小组在国际上占有一席之地。

    利用现有技术通过在固体表面进行纳米结构的构筑来实现表面的特殊浸润性是目前纳米科学以及表面/界面科学研究的前沿领域。近年来,该研究组从具有特殊表面浸润性的生物体出发,对生物体表面进行研究,揭示了生物表面具有特殊浸润性的机理。同时利用现有方法,通过在固体表面进行微米、纳米以及微米/纳米复合结构的构筑,实现了具有同样浸润性能的固体表面。并且用光、热和电等外场技术对所得性能进行调控。取得了系列研究成果,相关文章有20余篇发表在如*NatureAcc. Chem. Res.J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.***等国内外知名的学术杂志上,引起了国际学术界的关注。其研究工作一直处于国际领先地位,并正进入材料体系设计的新阶段。

    该课题组从具有特殊表面性能的生物体出发,选择几种典型的生物体表面进行重点研究,揭示了生物表面特殊浸润性的机理:

    有机固体院重点实验室

    通过对荷叶表面结构的研究,发现其表面的微米/纳米结构与表面植物蜡的协同作用是引起自清洁性的关键 (Adv. Mater. 2002, 14, 1857);

    2007年2月23日

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    荷叶出淤泥而不染的特点是其表面具有超疏水性质引起的,这种超疏水的性质是荷叶表面的微米/纳米复合结构与其表面的植物蜡所产生的共同作用的结果。右图为荷叶表面微观结构的电镜照片。

    通过对水稻叶表面存在液滴滚动的各向异性的机理研究,发现该现象是由于其表面微/纳米结构的定向排列的结果(Adv. Mater. 2002, 14, 1857);

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    由于表面微米级结构的取向排列,水滴在水稻叶表面会呈现各向异性的流动趋势。左图为水滴在水稻叶表面的各向异性照片;右图为水稻叶表面的微观结构电镜照片。

    通过对水黾的腿部微结构的研究,揭示了水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应 (Nature 2004, 432, 36)。

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    一种常见的生活在池塘、河流和溪水表面的昆虫-水黾为何能毫不费力地站在水面上,并能快速地移动和跳跃?通过对其腿部微观结构的观察,我们发现水黾的这种优异的水上特性是利用其腿部特殊的微纳米结构与其表面油脂的协同效应实现的。上图是水黾腿部的微观结构电镜照片。

    受到以上研究结果的启发,研究人员仿生制备了多种各具特色的特殊浸润性界面:

    在开拓新材料领域方面:制备出具有超双疏 性质的阵列碳纳米管薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1743);制备出不需要任何昂贵低表面能物质 (如:有机氟及有机硅) 修饰就可以显示超疏水性质的聚合物薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed, 2002, 41, 1221); 首次利用双亲性聚合物制备超疏水性薄膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 800)。

    在新性能拓展方面:与化学所杨振忠研究员合作,制备了在广泛pH值范围内超疏水纳米结构碳膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4217);采用静电喷涂技术制备出具有超疏水/超亲油性的油水分离网膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2012)。

    在规模化制备方面:采用电纺技术制备由纳米纤维 “捆绑”的多孔微球类荷叶状结构仿生超疏水聚合物荷叶薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4338);仿照水稻微米结构排列方式制备出三维各向异性的碳纳米管微结构阵列 (J. Am. Chem. Soc. 2004, 125, 14996);与化学所徐坚研究员合作采用一步涂敷法,成功制备了具有类似于荷叶的微米/纳米复合多级结构的超双疏聚合物涂层 (Adv. Mater. 2004, 16, 302);模拟蝉翅膀表面的微观结构制备了超疏水聚合物纳米柱膜 (ChemPhysChem 2004, 5, 750);仿照壁虎脚底刚毛结构制备具有高粘附力的超疏水聚苯乙烯薄膜 (Adv. Mater. 2005, 17, 1977)(Nature, 2004, 432,36)。

    在智能可控方面:在外场可控超疏水与超亲水可逆“开关”材料的研制上取得了重要的研究成果,实现了光响应 (J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 62) 及热响应 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 357) 的超疏水—超亲水可逆“开关”材料,该研究被评选为2004年度中国十大科技进展新闻,并分别被NatureScience杂志进行了报道。

    以上材料体系的研制,实现了学习自然、模仿自然的过程,发展了仿生纳米界面材料的新领域。

    有机固体院重点实验室

    2005年11月1日

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