飞秒激光仿生设计水下超疏气超亲气界面

2017-11-20 09:47:32 防雾剂,织物疏水疏油整理剂 阅读

研究人员发现一个有趣的现象,鱼鳞在空气中是亲水的而在水下却是超疏气泡的。在鱼类长期生存的水环境中,气泡在鱼鳞表面上可以保持近似小球形,气泡的接触角达到了155°。该气泡很容易在鱼鳞表面上滚走。这表明鱼鳞在水中对气泡显示超疏气泡特性和极低的气泡粘滞性。正是这种水下超疏气性赋予了鱼鳞表面抗气泡的能力,使得气泡很难粘附在鱼的表皮上。与之相反的是,水蜘蛛、蝗虫等可以在水中呼吸。当这些动物主动或被动落入水中时,身体周围会形成一层空气层。他们可以从该空气层中呼吸氧气,这种机制称为“物理鳃”、“胸甲呼吸”。槐叶萍也能够在水下俘获空气,并且拥有长时间空气滞留的能力。水中的气体会被这些生物体表面吸附,这类表面展现出出色的水下超亲气性。这些生物体有一个共同的特征:它们的表面在空气中是超疏水的。当将最为典型的超疏水表面荷叶浸入水下并且在荷叶下面释放一个小气泡后,一旦该气泡与荷叶表面接触便会迅速铺展开。最终完全被荷叶吸附,造成气泡接触角接近0°。在液体环境中控制气泡在固体表面上的行为有着广阔的应用前景,如新型医疗器材、微流控芯片、水中气体分离与收集等新技术的开发与应用。其中两种极端情况(水下超疏气表面和水下超亲气表面)最引人注目。受以上这些生物体的启发,我们可以推测水下气泡在固体材料表面的行为与该基底表面在空气中的水润湿性紧密相关。

鱼鳞表面的水下超疏气性和荷叶表面的水下超亲气性

图:鱼鳞表面的水下超疏气性和荷叶表面的水下超亲气性

近日,西安交通大学陈烽教授领导的飞秒激光仿生微纳制造团队基于飞秒激光微加工方法制备了多种水下超疏/亲气表面,并初步探索了这些表面在水下气泡操控方面的潜在应用。该工作的第一完成人为青年讲师雍佳乐博士

模仿鱼鳞的化学和表面结构特征,本征亲水的硅被选为基底材料并且通过飞秒激光烧蚀形成一种微纳米分级粗糙表面结构。所制备表面在空气中显示超亲水性,而在水下显示超疏气特性。气泡在该表面上呈小球状,接触角达到162°,并且很容易滚动。水下超疏气性质使得所制备样品在水下具有出众的抗气泡粘附特性,非常类似于鱼鳞表面。

图:飞秒激光制备的超亲水和水下超疏气的硅表面

图:飞秒激光制备的超亲水和水下超疏气的硅表面

与硅相反,聚二甲基硅氧烷(PDMS)是本征疏水的聚合物材料。当PDMS经过飞秒激光烧蚀后,表面也会形成一种微纳米多级粗糙结构。该表面在空气中显示超疏水性,水滴在该表面上的接触角达到156°。但在水下,当一个气泡接触该表面后,该气泡会迅速铺散开。在35 ms内,该小气泡会被粗糙PDMS表面完全吸附掉,使得气泡最终的接触角只有近似0°。因而,飞秒激光处理过的PDMS表面拥有水下超亲气特性,非常类似于荷叶表面。

飞秒激光制备的超疏水和水下超亲气的PDMS表面

飞秒激光制备的超疏水和水下超亲气的PDMS表面

实验结果表明,空气中的超亲水表面一般在水下是超疏气的;相反,空气中的超疏水表面一般在水下是超亲气的。在水环境中,水下超疏气表面拥有极强的抗气泡能力,而水下超亲气表面可以吸附/捕获气泡。

进一步结合机械钻孔的方法,预先在薄板上形成穿透的微米孔洞,后经飞秒激光烧蚀诱导出微纳米表面结构,该团队制备了一种水下超疏气的多孔铝板和一种水下超亲气的聚四氟乙烯(PTFE)薄板。水下超疏气的多孔薄板可以拦截水中的气泡,只让水流过而不让气泡穿过,从而可以去除水中的气泡。相反,水下超亲气的多孔薄板可以允许气泡穿过而不允许水通过,可用来收集水下气体。所设计的多种水下超疏/亲气表面可潜在应用于排除气泡带来的危害,在有些情况下也可应用于水下气泡的巧妙利用。

图:水下超疏气的多孔铝薄板具有气泡拦截的功能

图:水下超疏气的多孔铝薄板具有气泡拦截的功能

 图:水下超亲气的多孔PTFE薄板允许气泡穿过

 图:水下超亲气的多孔PTFE薄板允许气泡穿过

参考文献:

J. Yong, F. Chen*,Y. Fang, J. Huo, Q. Yang*, J. Zhang, H. Bian, X. Hou, Bioinspired Design of Underwater Superaerophobic and Superaerophilic Surfaces by Femtosecond Laser Ablation for Anti- or Capturing Bubbles. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017,DOI: 10.1021/acsami.7b14819

文章链接:

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b14819

来源:高分子科学前沿