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【文献精读】AM:光学传感器的湿式超疏水防雾界面

2020年10月27日 点击:

在日常生活中戴眼镜出门或者游泳运动时都会被一个问题困扰,那就是起雾,不仅如此,透明显示器、传感器等使用到透明基板的表面都会面临如此。

首先要理解表面凝结是指亚冷基材暴露在较高的环境温度下,导致汽相饱和,随后通过成核和生长在表面形成离散的凝结液滴的现象。当这些表面诱导的雾滴长大到足以散射光线时,就会降低透光率。

还需了解一下之前报道解决防雾的方法。有科研工作者报道亲水诱导防雾或湿式防雾,是依靠用亲水材料对基材进行改性,亲水材料与水分子发生强烈的相互作用,从而避免起雾。但是,当凝结的水量超过薄膜的容量时,上面的泛水层会造成大幅度的图像失真。还有一种超疏水诱导防雾,使其能够通过重力排斥宏观上可观察到的凝结水滴,然而,这些表面可能会在滴状凝结的早期阶段表现出雾化,原因是不能有效去除微观(亚微米)水滴。

浦项科技大学化学工程系的Dong-Pyo教授提出了一个新的表面设计,在一个平台上同时表现出超疏水和吸湿性能。这种所谓的湿式超疏水涂层由两个区域组成:顶部的低表面能微区和底部的聚合物-二氧化硅纳米复合区域。顶部的低表面能微柱支撑着Cassie-Baxter状态的水滴表现出超疏水性,而聚合物-二氧化硅纳米复合材料则优先引导水蒸气凝结到这个底层区域。这些湿式超疏水涂料的超疏水和吸湿性提供了一系列独特的功能,其中包括通过自清洁和优良的防雾性能有效去除污染物。该成果发表在Advanced Materialshttps://doi.org/10.1002/adma.202002710  



湿式超疏水防雾涂料的示意图,该涂料由顶部低表面能微柱区域和底部聚合物-二氧化硅纳米复合材料区域组成。

 

作者为了在一个平台上实现超疏水和吸湿性能,在聚合物-二氧化硅纳米复合材料上转移了低表面能微球。这使得水分子从气相优先凝结到纳米复合材料中,而表面保持超疏水特性的水滴。如图1a的示意图所示,由全氟聚醚(PFPE)组成的低表面能微柱阵列能够形成气固复合界面,从而对水滴具有超疏水特性。另一方面,当同一薄膜受到温差的影响时,疏水性PFPE微柱的高成核能量屏障和这些柱子之间的间距为气相中的水分子优先凝结到底层聚合物-二氧化硅纳米复合材料中提供了途径,如图1b所示。因此,由于二氧化硅纳米多孔层的存在有利于通过毛细管凝结吸水,而且底层聚合物储层具有很强的氢键能力,因此在凝结过程中,该薄膜能抵抗雾气的形成,并保持光学上的清晰。


 



a)使用两步光刻在聚合物-二氧化硅纳米复合材料上转移微柱阵列的示意图。(bSEM图像和EDS氟映射图像显示了独立的PFPE柱阵列在聚合物-二氧化硅纳米复合材料上的成功转移。(c)聚合物-二氧化硅纳米复合材料,以及(dPFPE-微柱组装的聚合物-二氧化硅纳米复合材料的耐磨性试验后的示意图和SEM图像。(e)显示前进,后退和水的Cassie状态表观接触角与聚合物-二氧化硅纳米复合材料上微柱阵列的间隔/直径值的关系。(f)一张图,显示了有无微柱阵列时,裸玻璃和聚合物-二氧化硅纳米复合材料上水的前进(黑条)和后退(红条)接触角(间隔/直径值为4.0)。

 

为了转移只有低表面能微柱阵列上的聚合物-二氧化硅纳米复合材料,作者利用两步光刻法制备,图2a为示意图。首先使用常规光刻技术制备具有微柱特征的光刻胶(SU-8)。使用该母版作为模板可产生具有柱状阵列相反形状的聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)微孔。然后,作者将可光固化的PFPE(一种双功能PFPE-氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯)填充到微孔中,并去除多余的部分。该聚合物前驱物填充的PDMS微孔在牺牲油(硅油)包埋的聚合物-二氧化硅纳米复合材料上的附着以及随后的UV照射光固化导致独立的PFPE柱阵列成功转移到聚合物-二氧化硅纳米复合材料上,这证明了图2b中的SEM图像以及能量色散X射线光谱法(EDS)。为了研究这些微柱阵列的机械耐久性,作者制备了两种聚合物-二氧化硅纳米复合材料,其中只有一种转移了PFPE微柱;将每个样品与50 g重的粗砂纸(S3000)摩擦20个循环后,比较表面形态,如图2c,b所示。可以使用Cassie-Baxter方程描述探空液体在气固复合界面上的表观接触角,其中增加固定有25 µm的微柱直径的微柱之间的间隔会导致表观水接触角的增加(图2e)。该薄膜与裸玻璃和聚合物-二氧化硅纳米复合材料的表面润湿性比较如图2f所示清楚地表明,在聚合物-二氧化硅纳米复合材料上组装最佳的PFPE微柱,可将水前进接触角从增大到162°,同时保留了下面的聚合物-二氧化硅纳米复合材料,该复合材料在各种雾化条件下均具有吸湿性和防雾性。作者将PFPE微柱组装的聚合物二氧化硅纳米复合材料所展现的这种独特性能组合称为湿式超疏水防雾涂料

总而言之,作者提出了一种新的防雾涂料设计,该设计赋予超疏水性,同时抑制了雾的形成。为实现超疏密性而进行的微柱设计的进一步发展将导致为传感器和显示器制备光学涂层的新途径,这些涂层在更加严酷的环境挑战中要求高光学透明性。


曹老师批注:作为文献精读系列的第一篇推送,实验室大师兄李哲做出了一个很好的表率。本篇工作的创新点在于将超疏水柱阵列修饰于超亲水基底之上,进而实现了液滴的超疏水状态以及亲水防雾功能,是一篇很有创新性的工作。但,也应指出,此类设计对于高速液滴碰撞会出现不可避免的疏水失效,同时设计制备途径略显复杂。总之,李哲所精读的这篇文献,具有明显的创新性,是超浸润界面组合器件领域的杰出工作!