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Adv. Mater.:基于形状记忆材料制备新型超疏液表面

通常情况下,高表面张力液滴(如水)静态接触角(θ)大于150°、滚动角(ω)小于10°的材料表面被称之为超疏水表面;低表面张力液滴(如油、醇类)静态接触角(θ)大于150°、滚动角(ω)小于10°的材料表面被称之为超疏油表面;同时兼具上述两种特性的表面则被称之为超疏液表面。超疏液表面对水、有机液体、酸碱、溶剂、牛顿/非牛顿流体等呈现优异的排斥特性。之前的诸多研究表明,基于低表面能材料结合复杂微纳形貌的引入可用于构筑各种超疏液表面。进一步引入光响应性、温敏性等智能材料,科学家还制备了不同刺激响应性、润湿性可调控的超疏液材料表面。但是,基于形状记忆材料进行超疏液材料表面构筑的系统研究还尚未见相关报道。


近日,美国德州大学达拉斯分校Walter E. Voit教授(点击查看介绍)和科罗拉多州立大学Arun K. Kota教授(点击查看介绍)研究团队,基于光刻技术和反应离子刻蚀(RIE)技术在丙烯酸酯基(thiol-ene/acrylate-based)热响应性形状记忆聚合物(SMP)表面构筑“蘑菇型”柱状微结构,实现了具有热响应性超疏液材料表面(MorphS)的制备。

SMP基超疏液表面构筑过程示意图。图片来源:Adv. Mater.


研究团队对材料表面形貌与表面超疏液特性的关系进行了系统的探究。研究发现,随着D/R 的比值(R 为柱顶半径,D 为柱间间隔距离的1/2)增大,液-气面积比flv随之增加,材料表面的超疏液特性得到提升(液滴接触角增大和滚动角减小)。但是当flv值达到99%时,液滴在材料表面的Cassie–Baxter状态不稳定,水滴压力极易超过Pbreakthrough产生渗透润湿现象。因此,研究团队选择flv为97%条件下的D/R值进行材料表面微结构构筑。

材料表面微形貌尺寸与超疏液特性的关系。图片来源:Adv. Mater.


基于材料表面形貌D/R 比值对表面超疏特性的影响,研究团队通过加热(T>Tg)和加压,使“蘑菇型”柱状形貌产生形变,通过冷却“锁定”形变。而后通过热诱导使形变可逆恢复,从而实现材料表面超疏特性的可逆调控。但是基于不同表面张力液滴在该材料表面的渗透压力(Pbreakthrough)差异,在材料表面形貌尺寸(D/R)变化的可逆调控过程中,水滴和油滴(十六烷)在其表面的润湿性变化存在着明显的差异。当材料表面柱状结构发生热压形变后,水滴在其表面的接触角和滚动角,从原始的154°和5°调整为141°和17°,水滴仍呈Cassie–Baxter状态。而低表面张力的十六烷液滴热压后,状态则由Cassie–Baxter状态转变为润湿的coarser-Wenzel 状态(后退角θ = 10°)。

MorphS材料表面基于热诱导的超疏液特性调控。图片来源:Adv. Mater.


研究团队进一步对材料表面热诱导形变恢复过程中,水滴的润湿状态变化进行了详细的原位考察。随着诱导温度和时间的增加,材料表面柱状微结构D/R 不断增大,微结构中捕获的空气体积分数逐渐增加,使得水滴从高粘附性的Cassie–Baxter状态转变为低粘附性的Cassie–Baxter状态。同时,研究团队以高沸点、高表面张力的甲酰胺作对比实验,排除了水滴受热挥发对其润湿状态转变的影响。此外,借助选区热压处理,能够实现材料表面的可擦写选区润湿图案化。

水滴润湿状态变化原位考察及材料表面选区润湿图案化。图片来源:Adv. Mater.


——总结——


基于形状记忆聚合物表面图案化,本文构筑了具有热刺激响应性的超疏液表面。该超疏液表面在表面形貌尺寸形变过程中,表面对高表面张力和低表面张力液体呈现出不同的润湿状态变化,研究团队对其内在机制进行了系统的探究。该研究成果在药物缓释、液体分离、传感等领域具有较大的应用前景;同时,该体系可进一步扩展到液晶弹性体体系以及双向形状记忆材料(two-way SMPs)体系。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Metamorphic Superomniphobic Surfaces

Adv. Mater., 2017, 29, 1700295, DOI: 10.1002/adma.201700295


导师介绍

Walter E. Voit

http://www.x-mol.com/university/faculty/6469

Arun K. Kota

http://www.x-mol.com/university/faculty/44754


(本文由甲子湖供稿)


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