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碳纳米管浸润性研究新进展,向自然学习

发布时间:2019-07-30 20:54编辑:化学科学浏览(185)

    表面微结构对浸润性有着重要的影响,因而备受人们的关注。例如,荷叶表面的微米和纳米结构导致了优异的超疏水性质和自清洁效应。阵列碳纳米管和聚合物纤维的纳米阵列结构薄膜均产生了接触角大于170o的超疏水性能。但是,各向异性,特别是立体各向异性的微结构对浸润性的影响还未见报道。

    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研究组将平板印刷术(Photolithography)和等离子体刻蚀技术相结合,制备了具有特殊几何形貌的硅基底,并用化学气相沉积方法在其上沉积了具有立体各向异性微结构阵列碳纳米管薄膜。并对薄膜的浸润性进行了研究。研究表明,在不改变薄膜表面的化学组成的情况下,仅仅改变结构参数,薄膜能从超亲水变化到超疏水,这是用传统的Wenzel或Cassie方程无法解释的。这种现象是由于横向和纵向碳纳米管阵列结构的共存,也就是立体各向异性微结构的存在所引起的。纵向的碳纳米管阵列提供了疏水的贡献,而横向的碳纳米管阵列提供了亲水性的贡献,并有利于水滴的铺展。横向和纵向碳纳米管阵列的组合方式的改变导致了薄膜特殊的浸润性质。本工作不仅对浸润性的理论研究开辟了新的方向,并且对诸如微流体器件等诸多工业应用领域有着重要的意义。本研究工作得到审稿人的高度评价,已于近日在国际权威的化学期刊J. Am. Chem. Soc.(125, 2003, 14996-14997)发表。

    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。

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    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:

    立体各向异性的阵列碳纳米管薄膜

    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);

    (有机固体院重点实验室供稿)

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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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