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《Science》子刊:向跳虫学习,制备高耐压的超疏表面

WaterOff
2022-08-09 12:36:37

  跳虫是一类小型土壤栖息的节肢动物,它们通过皮肤进行呼吸作用。如果水或者其他液体很容易粘附在其表面,则可能导致它们的死亡。因此,它们的角质层为了避免液体的完全润湿,经过漫长的进化,最终形成的特有几何形状和层级结构赋予了它们对于液体的静态排斥性和动态抗压性,从而了保持角质层的干燥,避免了窒息而亡的危险。

尽管可以通过在微尺度上设计精细的纳米结构来调控表面的静态超疏性,但是现有的微尺度修饰的超疏表面,其静态排斥性和动态抗压性之间存在不可避免的矛盾。如何制备像跳虫角质层一样具有静态排斥性和动态抗压性的多层级超疏表面仍是一大挑战。

 

 

  近期,韩国高等科学技术研究院化学与生物分子工程系的Hee-Tae Jung教授课题组报道了首例类跳虫角质层的超疏水表面。表面褶皱结构的引入解决了静态排斥性和动态抗压性之间的矛盾。这类仿生表面在显示出对于水,乙醇等液体的高度排斥性(其接触角均 >150°)的同时,还能够承受We > 200的水滴和乙二醇液滴的极端压力,以及We = 53的乙醇液滴的影响(We是一种无量纲的压力衡量标准),展现出之前从未有过的高耐压性。

  研究者通过模仿跳虫角质层的精细结构,首先利用纳米压印和二次溅射光刻(SSL)技术,制备分布“T”形纳米结构的微尺度褶皱表面。再利用高温进行聚苯乙烯的形变处理,形成程度可控的表面褶皱,最后利用化学气相沉积(iCVD)方法在上述制得的表面上涂覆约40nm的聚(十七氟癸基甲基丙烯酸酯)(PHFDMA),成功获得“T”形纳米结构分布的褶皱双层结构仿生表面,并通过扫描电子显微镜(SEM)确认其形貌。

为了确认“T”形纳米结构和褶皱对于该类仿生表面超疏性能的影响,研究人员还制备了“圆盘”形和“悬垂”形的表面样品以及褶皱程度不同的表面样品。静态接触角和和动态液滴实验表明,在不同结构的样品中,由于“T”形纳米结构的高度起皱表面能有效降低与液体接触的面积,使得其表现出最优的超疏性。

图文速读

图1仿生表面的设计灵感。

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(A)跳虫角质层表面的水滴照片以及初级结构和二级结构的SEM图像;(B)制造“T”形纳米结构的步骤图;(C)在获得纳米结构后,通过热致收缩制造微尺度褶皱。

图2 在微尺度起皱基底上,“T”形纳米结构的形态。

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(A)顶部SEM图,插图为高分辨纳米结构的细节图;(B)断面SEM图,红色框中的插图显示了“T”形结构的放大图,蓝色框中的插图显示该“T”形结构的顶部。

图3 纳米结构的形态控制和相应的静态接触角。

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(A)具有不同种类纳米结构的表面图;(B)乙醇在不同纳米结构表面上的静态接触角;(C)不同测试液体(水,乙二醇和乙醇)在“T”形纳米结构表面上的静态接触角。

图4 仿生表面的动态抗液压性。

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(A)具有不同纳米结构、相同褶皱程度的表面示意图,各自的最大扩展半径与We压力的关系曲线;(B)当We压力约为110时,不同纳米结构的表面与水滴碰撞的照片;(C)具有相同纳米结构、不同褶皱程度的表面示意图,各自的最大扩展半径与We压力的关系曲线;(D)当We压力约为110时,不同褶皱程度的表面与水滴碰撞的照片;(E)当We压力约为220时,各种类型表面的最大扩展半径与接触时间的关系曲线。

图5  对于低表面张力液体,仿生表面的液滴反弹实验。

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  在不同We压力下,乙二醇在(A)平面和(B)高度起皱的“T”形纳米结构表面上的液滴反弹行为;(C)在不同We压力下,乙醇在不同褶皱程度的“T”形纳米结构表面上的反弹行为;(D)当We压力约为53时,乙醇液滴与不同褶皱程度的“T”形纳米结构表面相互作用的照片。

 

原文链接: 

http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4978

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