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    仿生超浸润界面材料研究取得进展

  • 来源:中国科学报
  • 2017-09-27 10:57
  • 仿生超浸润界面材料体系的构筑及其应用

    出淤泥而不染的荷叶、翩翩起舞的水黾以及捕虫能手猪笼草等都是大自然的精妙创造,是具有“超浸润特性”的自然界杰出代表。作为超浸润领域的“掌舵手”,中科院院士、中科院理化技术研究所研究员江雷通过近二十年的潜心研究,总结规律,提出了二元协同理论,即将两个具有相反性质的纳米结构基元控制在“协同距离”上,将会产生新的特殊性质。这一发现将材料研究提升到哲学的高度,指导了界面纳米材料的设计,发展了仿生超浸润界面材料体系。

    浸润性的研究可追溯到1756年发现的莱顿弗罗斯特现象(Leidenfrost),即当液体接触远超其沸点的表面时,表面上会产生一层有隔热作用的蒸汽;1805年,杨氏方程的提出从理论上解释了浸润行为;1997年,提出微结构是荷叶超疏水的关键;直到2002年,浸润性研究迎来巨变,江雷等发现了荷叶表面的微纳多尺度复合结构对荷叶的超疏水及自清洁起到了关键作用。

    研究表明,通过在固体表面引入功能高分子材料,可以实现表面不同浸润性的精确调控。2009年,江雷团队发现了鱼鳞水下的超疏油特性,发展了水下液/固超浸润体系;同年,发现荷叶水下超亲气现象,建立了水下气/固超浸润体系;2014年,江雷将超疏水界面材料拓展到所有液—液—固、气—液—固等一切三相体系中,创建了包含64种变换的仿生超浸润界面材料体系。

    目前所取得的部分研究成果已经应用于能源、资源、环境、健康以及信息等领域。例如,超疏水涂层用于建筑玻璃及外墙的自清洁;超浸润界面设计用于制备防覆冰和雾水收集;通过浸润性调控,实现油水、有机溶剂及乳液的高效分离;利用界面浸润性调控,构筑了抗生物黏附界面材料。

    实现了癌细胞的高效捕获;调控基底浸润性,发展了纳米材料绿色印刷制版技术;设计并构筑非对称纳米孔材料,实现了可再生蓝色海洋能的捕获

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