仿生超疏水性表面的研究进展
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从自然到仿生的疏水超疏水界面材料自然界中存在着许多疏水性极强的物体,比如荷叶、莲花等,它们在接触水的时候会形成水珠,水滴很难在它们表面停留,这种现象被称为“莲叶效应”。
在过去的几十年里,科学家们借鉴了自然界的疏水性特点,研发出了各种仿生的疏水超疏水界面材料,具有广泛的应用前景。
一种常见的仿生疏水超疏水界面材料是由微纳米结构构建而成的,这些微纳米结构可以增加物体表面的粗糙度,从而增大表面与水接触时的接触角,使水珠在物体表面形成较大的接触角,从而实现疏水性。
其中,仿生疏水材料的关键是构建具有微纳米级结构的表面,以实现水珠的快速排泄。
在这方面,研究者们借鉴了自然界中一些具有疏水性的生物材料,比如蜡叶、蜘蛛网等,利用其微纳米结构的特点,研发出了许多具有高疏水性能的仿生疏水超疏水界面材料。
除了微纳米结构,疏水超疏水界面材料还可以包含一些特殊的化学成分,以增强其疏水性能。
例如,研究人员发现一种叫做疏水氟烷的化合物能够在界面上形成稳定的凝胶层,从而实现超疏水性。
将疏水氟烷与微纳米结构相结合,不仅可以在物体表面形成稳定的超疏水层,还可以增强物体表面的抗污染性能。
疏水超疏水界面材料具有广泛的应用前景。
例如,它们可以应用在船舶、飞机等交通工具的表面上,减少水的阻力从而提高运动效率。
此外,它们还可以应用在建筑物的外墙、玻璃窗等表面,减少污染物的沾附,保持干净。
在医学领域,疏水超疏水材料被应用在人体假体表面,以防止细菌和其他微生物的滋生,从而减少感染风险。
除此之外,疏水超疏水界面材料还可以用于水处理和油水分离等领域。
综上所述,自然界中的疏水性物体为科学家们研发疏水超疏水界面材料提供了重要的参考。
通过构建微纳米结构和引入特殊的化学成分,研究人员已取得了一些令人瞩目的成果。
这些疏水超疏水界面材料在交通工具、建筑、医学等领域具有广泛的应用前景,为未来的科技发展带来了新的机遇。
超疏水材料的研究进展摘要:对植物叶表面的超疏水现象研究表明:植物叶表面的微观结构是引起超疏水的根本原因。
本文通过对荷叶表面的研究得到超疏水材料具有的特点:微纳米尺度复合的阶层结构。
通过相分离方法得到超疏水材料,最后对超疏水材料的研究趋势作了展望.关键词:超疏水材料微纳双重结构接触角滚动角Abstract:By studying the nature superhydrophobic bio-surfaces indicates that : the incooperation of micro-structure and nano-structure are both important for the superhydrophobic materials. Such structures are the key for the superhydrophobic material . The phase separation method is employed to prepare the superhydrophobic materials. The latest trends in the study of superhydrophobic materials are also discussed.Key words:Superhydrophobic materials;Micro-structure and nano-structure ; Contect angle; Roll angle引言近年来,植物叶表面的超疏水现象引起了人们的关注。
所谓植物超疏水能力,就是植物叶面具有显著的疏水,脱附,防粘,自清洁功能等。
固体表面浸润性研究的就是材料的疏水能力。
浸润性是指液体可以渐渐渗入或附着在固体表面的特性。
接触角和滚动角是评价固体表面浸润性的重要指标。
所谓超疏水表面一般是指与水的接触角大于150º。
“两⾯神”薄膜:⼀⾯超疏⽔⼀⾯超亲⽔⾃然界中,荷叶、稻叶等材料表⾯呈现出不同超疏⽔特性。
道法⾃然,⼈们基于仿⽣策略实现了系列材料超疏⽔表⾯的构筑。
然⽽,荷叶表⾯除具有超疏⽔特性——“荷叶效应”之外,还呈现出表⾯超疏⽔、底⾯亲⽔的“两⾯神(Janus)”润湿特性。
荷叶的两⾯神润湿特性模拟荷叶表⾯这种特性进⾏具有显著润湿性差异Janus膜表⾯构筑。
近⽇,⼀个⼟⽿其—德国联合研究团队以滤纸为多孔基底,通过单⾯修饰聚⼆甲硅氧烷(PDMS)/⽆机微纳颗粒,简便构筑了具有超疏⽔/亲⽔显著润湿性差异的“两⾯神”膜。
这种Janus膜具有优异的化学稳定性、机械稳定性和柔韧性,同时保持良好的透⽓性,在伤⼝处理等⽅⾯具有较⼤的应⽤前景。
荷叶疏⽔表⾯的微观结构研究⼈员选⽤Whatman No. 1滤纸和实验室⼯程棉滤纸为基底材料,将PDMS、硅纳⽶颗粒以及玻璃微球混合均匀后采⽤喷涂技术涂覆到基底表⾯,经过120 ℃加热交联处理后PDMS共价接枝到滤纸表⾯。
该侧滤纸表⾯呈现出超疏⽔特性(接触⾓163.1°± 1.2°)。
同时,研究表明混⼊掺杂三种不同尺⼨的⽆机颗粒(9−13µm、20−60µm、数纳⽶)对于超疏⽔表⾯的构筑⼗分必要,微⽶级尺⼨和纳⽶尺度的⽆机颗粒协同提供微纳粗糙表⾯。
Janus膜的制备及表⾯形貌研究发现加热处理使得PDMS与基底产⽣共价键连接,进⼀步对“两⾯神”膜的内部结构进⾏表征,结果表明在涂层制备过程中涂层组分渗透扩散⾄多孔滤纸内部形成梯度化学改性结构;这⼀结构特性有效地保证了“两⾯神”膜的溶剂/⽔稳定性。
“两⾯神”膜基于底部保持亲⽔特性,其整体保持较⾼的吸⽔率(80 g/m2)。
基于滤纸、表⾯硅橡胶涂层组分优异的柔韧性以及基底与涂层存在共价键连接界⾯,结合⽆机微纳颗粒杂化改性,使得该“两⾯神”膜表⾯具有优异的超疏⽔润湿稳定性。
在循环弯曲以及摩擦测试后,该涂层仍能维持其优异的超疏⽔特性。
软物质的超疏水性与应用研究在我们的日常生活和众多的科学领域中,软物质扮演着至关重要的角色。
软物质的独特性质为我们带来了许多新奇的现象和广泛的应用,其中超疏水性便是一个引人注目的特性。
首先,让我们来理解一下什么是软物质。
软物质通常是指处于固体和理想流体之间的物质,比如聚合物、胶体、液晶、泡沫、凝胶等等。
这些物质的特点是对外界的微小作用十分敏感,能够在较小的外力或环境变化下产生显著的形态和性质变化。
那么,什么又是超疏水性呢?超疏水性是指材料表面对水具有极高的排斥能力,水在其表面的接触角大于 150 度,滚动角小于 10 度。
简单来说,水在超疏水表面上会形成几乎接近球形的液滴,并且很容易滚落。
实现超疏水性的关键在于材料表面的微观结构和化学组成。
在微观层面上,超疏水表面通常具有粗糙的纹理和低表面能的化学物质。
这些粗糙的结构可以“捕获”空气,形成一层空气垫,从而减少水与固体表面的接触面积。
而低表面能的化学物质,如含氟或含硅的化合物,则能进一步降低表面对水的亲和力。
软物质实现超疏水性的方法多种多样。
其中一种常见的方法是利用自组装技术。
通过分子之间的相互作用,软物质可以自发地形成具有特定结构和性能的超疏水表面。
例如,某些聚合物分子可以在溶液中自组装成纳米级的结构,从而赋予材料超疏水性。
另一种方法是模板法。
通过使用具有特定微观结构的模板,如纳米级的多孔材料或光刻技术制备的模板,可以将软物质加工成具有超疏水性能的表面。
软物质的超疏水性在许多领域都有着广泛的应用。
在纺织行业,具有超疏水性能的织物可以实现防水、防污的效果。
想象一下,在下雨天穿着一件超疏水的外套,雨水会像珠子一样滚落,而不会浸湿衣物,同时也能避免污渍轻易附着在上面。
在建筑领域,超疏水材料可以用于外墙涂料,不仅能够防止雨水的侵蚀,还能减少灰尘和污染物的附着,保持建筑物的外观清洁。
在交通运输方面,超疏水表面可以应用于汽车挡风玻璃和后视镜,提高雨天的视野清晰度,保障行车安全。