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“刺猬”智能涂层，性质可控
自然界中的生物会利用表皮的变化来保护自己，例如，刺猬的表面贴满短而密的刺，当受惊时全身的棘刺竖立，并卷成刺球状；再如，刺豚全身长满由鳞片演化而成硬刺，平时这些刺会贴在身上。一旦遇到天敌，它会立即吸入空气或者海水，使胸腹部膨大成球状，这样身上的刺会随之竖立起来，利于它逃离敌害。
刺猬和刺豚。图片来自网络。
在生活中，表面涂层已被用于能源存储、光学、生物医学、光伏电池等诸多领域。通过改变表面涂层，可以调整各种表面的性质，如硬度、反射率、粘性等。然而制造不同表面特性的涂层，研究人员只能采用不同的涂层材料。那么，能否使用同一种表面涂层材料，但可以在不同环境下表现出不同的性质，就好像刺猬和刺豚那样？
Joseph Keddie教授。图片来源：University of Surrey
日前，来自于英格兰萨里大学（University of Surrey）的Joseph Keddie教授与其团队利用聚合引发的自组装方法，成功合成了pH可控的表面涂层，随着pH的升高，聚合物链会伸展开，就像刺猬和刺豚受到了惊吓一样（下图）。研究者还用计算模拟解释了涂层随pH变化的原因。这不仅为独立改变涂层的性质提供了一种简易的方法，还可以在不改变初始材料的条件下来可控调节表面的性质。相关成果已发表于ACS Appl. Mater. Interfaces杂志上。
pH可控的涂层示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
研究人员首先合成两种尺寸分别为385 nm和54 nm的聚合物纳米粒子，并将两种粒子在水中混合形成悬浮液，利用在干燥过程中自组装的方法，形成小粒子包裹大粒子的涂层。由于尺寸较小的粒子是由聚甲基丙烯酸形成的链条组成，这使得涂层的性质是pH可控的。当在低于PKa的pH条件下，其表面将被质子化，这会减少表面电荷，并引起链条折叠，因而会出现分层的现象；而当pH升高后，这些链条发生去质子化，并随着与水结合力的增加而得以伸展，导致分层现象消失。
为了使pH响应的涂层变化更为直观，研究人员将大尺寸粒子与小尺寸粒子分别标记以红色荧光与绿色荧光。利用共聚焦荧光显微镜，研究人员发现，随着pH值的升高，分层现象逐渐消失。
不同pH条件下的涂层的共聚焦荧光图像。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
接着，研究人员通过计算模拟对此现象进行了解释。在低pH值时，链条固守在粒子的核心，小球的直径约50 nm，它们聚集在顶层，因而出现分层现象。而pH值增加会使得链条伸展，小球的直径超过90 nm，大球与小球尺寸差距的减少，使得在干燥自组装过程中，两者的速度相当，因而分层现象会消失。
计算模拟图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
本文作者Joseph Keddie教授表示，该成果允许人们基于同一种材料来调节涂层表面诸如硬度、反射率等性质。
来自新罕布什尔大学的聚合物专家John Tsavalas对此表示赞叹，“一石二鸟之计，同一种材料组成的涂层，只需要简单的触发，就可以适合不同的最终用途。”
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b12015
pH-switchable stratification of colloidal coating: surfaces “on demand”
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 34755-34761, DOI: 10.1021/acsami.6b12015
部分内容编译自：
http://cen.acs.org/articles/94/web/2016/12/Hairy-expanding-nanoparticles-produce-versatile.html
（本文由冰供稿）