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超疏水材料新进展:出淤泥而不染,被刀划而不伤

作者:佚名 来源:果壳网 点击数: 更新时间:2015-5-4
予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖…….” 北宋理学家周敦颐在《爱莲说》中用这样的诗句表达了对莲花品(rèn)格(xìng)的热爱。而在科技高度发展的今天,莲花“出淤泥而不染”这一特性,引起了国内外科学家们的兴趣。我们的故事就从荷叶的“自清洁”效应开始讲起。

荷叶本身是不沾水的,这是由于荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气,进而防止水将表面润湿。水滴在荷叶上形成一个球形,而不是铺展开来,像这样的表面,就是“超疏水表面”。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染,并且表面的灰尘,杂质也会被雨水带走。这便是荷叶“出淤泥而不染”的原因了。

荷叶表面(左)以及其在扫描电子显微镜下的形貌(右,比例尺为1 µm) 图片来源:左图:shutterstock友情提供;右图:参考文献[1]

荷叶这种自清洁性能被人们称为“荷叶效应”。近20年来,仿荷叶的人造超疏水表面不断涌现。然而,这项技术由于种种限制,一直未能大规模地应用。现有的很多超疏水表面,都容易被油污染失去超疏水性。为了解决这个问题,学者们又设法开发出了一种疏水疏油的超双疏表面[2],我也曾跟风研究了一下[3]。然而,机械出身的我在研究中发现,虽然双疏表面在自清洁方面略胜一筹,但对于一些需要润滑的零件就不适用了:比如轴承,齿轮这样的零件,如果连润滑油都排斥,就没办法愉快地工作了。

如果能找到一种被油污染,甚至浸润到油里,仍然可以自清洁的材料,或许就能解决这一问题。很快,我在从一篇仿猪笼草制备自清洁表面的论文[4]中得到了启示。这种表面利用微观粗糙结构锁住润滑油,使得液滴在滑落表面的过程中带走灰尘。那么我们的材料是否也可以做到这点咧?

一开始,我先将自制的疏水涂料涂在玻璃表面,然后将十六烷(柴油的主要成分)涂在疏水涂料表面。随后将该表面一半浸入十六烷中,一半暴露于空气中,将用一氧化锰粉末模拟的“灰尘”分别洒在表面上浸入油中和暴露于空气中的部分,用水冲洗。结果表明,即使被油污染,这种“猪笼草效应”仍然可以保证自清洁性能。在日常生活中和工业生产中,我们的材料常常会遇到食用油和柴油,以及室内室外的灰尘。于是我又选取了这些作为我实验的材料,重复了上述的自清洁实验。

油中实验过程。污垢分别使用公园里的土壤(Soil)和室内的灰尘(Dust)充当,油选用十六烷(Hexadecane)和食用油(Cooking oil)。经过疏水涂料处理的表面被部分浸润在油中,界面处撒有污垢。之后,研究者向表面滴水(为了便于分辨,水被事先染成蓝色),以清除表面上的的污垢。 图片来源:详见参考文献[5]

在超疏水领域里,还有一个重要的问题——强度问题。由于超疏水表面依托于微米/纳米量级的微观结构,这种结构极易磨损,从而导致超疏水表面有着“不结实”的弱点。我也看到过网上一些很酷炫的超疏水喷漆,它们都无法回避强度问题:假如这些涂料很脆弱,那么自然不耐用;假如这些涂料强度很高,喷到头发或皮肤上怎么办?这东西疏水,所以用水洗没用,也肯定不能用丙酮什么的去洗。

说来也巧,一次无意中,我将自制的疏水涂料涂在透明胶的粘黏面上,却意外地发现无论用刀刮还是砂纸磨,都无法将涂料从胶上除去。那情形大致就好比抓一把尘土洒在胶上,粘上了,就很难再将尘土除去。基于这个启示,我尝试了用双面胶涂在玻璃表面,然后加入疏水涂料,形成类似三明治的结构——玻璃和疏水涂料分别粘结在双面胶两侧。这样一来,表面就变得非常坚固,甚至用砂纸交叉摩擦几十个来回,仍然可以保持表面超疏水性。

为了让疏水涂料更加广泛地应用于棉花,纸张,布料等软材料,我采用了喷胶,结果同样得到了耐磨的超疏水表面。在日常生活中,一个表面通常会经历的“暴力”遭遇包括手抹(例如墙面)和刀划(例如车),因此在表面强度测试中,我又加入了手抹和刀划测试。然而,被虐千百遍的疏水表面却依然待我如初恋,毅然坚挺地排斥着水滴。

经粘胶和超疏水涂层处理的表面,即便经过多次刀划,也仍然保持自清洁功能。图片来源:参考文献[5]

在进行各项其他实验之后,我和同事把研究结果写成论文,发表在了《科学》杂志上[5]。其实,这个研究的精髓并不在于把超疏水表面做到多强多耐磨,而是提供了一种思路——将超疏水领域的“脆弱”的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服。在具体的生产实践中,无论是大到挖掘机防水,还是小到自家涂墙,都可以根据需要选择属于自己的胶去做“中介”。换言之,胶有多给力,超疏水表面就有多给力。并且,相比于直接喷涂结实的超疏水涂层,这种两步法(胶+涂料)更加安全灵活。安全性体现在,如果不小心直接把超疏水涂料喷在皮肤上,拿个纸巾就可以擦掉;灵活性体现在,可以根据具体情况,选取合适的胶,进而调整超疏水涂层的强度。沿着这个思路,相信在不久的将来,会有更多更酷炫的超疏水材料出现。

本文作者是英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥,他们实验室的研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上,论文的第一作者陆遥应邀撰写此文。果壳网科学人欢迎更多科研工作者为我们撰稿,热情的邀请函在此

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. W. Barthlott, C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta (1997) 202: 1-8.
  2. A. Tuteja et al., Designing Superoleophobic Surfaces, Science (2007) 318: 1618-1622.
  3. Y. Lu et al., Preparation of Superoleophobic and Superhydrophobic Titanium Surfaces via an Environmentally Friendly Electrochemical Etching Method, ACS Sustainable Chem. Eng. (2013) 1: 102–109.
  4. T. Wong et al., Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity, Nature (2011) 477: 443–447.
  5. Y. Lu et al., Robust self-cleaning surfaces that function when exposed to either air or oil, Science (2015) 347: 1132-1135.
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