近年，智能潤濕性調(diào)控表面因其可在不同潤濕性之間相互轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)單一潤濕性表面無法實(shí)現(xiàn)的功能，逐漸引起研究者的關(guān)注。與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)表面化學(xué)性質(zhì)的方式相比，通過調(diào)節(jié)材料表面形貌進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對表面潤濕性的控制，為制備潤濕性調(diào)控表面開辟出一條新途徑。
近期，吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任露泉院士團(tuán)隊(duì)，師法自然，受玫瑰花瓣表面乳突狀微結(jié)構(gòu)對水滴所具有的高粘附性（Cassieimpregnating state），以及荷葉表面柱狀微結(jié)構(gòu)對水滴所具有的低粘附性（Cassie-Baxter state）啟發(fā)，通過仿生設(shè)計(jì)，以形狀記憶聚氨酯（SMP）為基體，制備出仿生微陣列表面，借助SMP的形狀記憶性能，實(shí)現(xiàn)對材料表面形貌的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在“玫瑰花瓣效應(yīng)”與“荷葉效應(yīng)”之間的可逆切換。上述成果以“Shapememory
superhydrophobic surface with switchable transition between “LotusEffect” to “Rose Petal Effect””為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal。
圖1 潤濕性可逆切換表面仿生設(shè)計(jì)原理
作者使用高精度激光加工技術(shù)制備出多孔鋁模板，并采用模板復(fù)制法制備出仿生微陣列表面，為進(jìn)一步增強(qiáng)材料表面疏水性，采用溶劑溶脹法將納米二氧化硅小球負(fù)載到材料表面。如圖2所示，成功制備出柱狀超疏水表面，液滴在初始表面的接觸角（CA）約為154°，滾動(dòng)角（SA）約為3°，呈現(xiàn)為低粘附的“荷葉效應(yīng)”；使用壓力將直立狀微結(jié)構(gòu)壓倒（形狀編程），液滴在其表面的CA約為151°，SA大于180°，表現(xiàn)為“玫瑰花瓣效應(yīng)”的高粘態(tài); 只需簡單加熱，材料表面形貌恢復(fù)，潤濕性隨即恢復(fù)為初始狀的“荷葉效應(yīng)”。
圖2 (Ⅰ)制備流程圖; 編程/恢復(fù)過程中材料表面形貌SEM圖: a初始表面 b編程表面和c 恢復(fù)表面(a1、b1和c1為對應(yīng)放大圖)和水滴在對應(yīng)表面形貌潤濕性:接觸角(a2、b2和c2)，滾動(dòng)角(a3、b3和c3)。
同時(shí)作者對不同表面狀態(tài)的潤濕特性與微結(jié)構(gòu)大小及間距之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，如圖3所示，當(dāng)微結(jié)構(gòu)底面直徑為55 μm，陣列間距為100 μm時(shí)具有最佳的超疏水性。潤濕性可逆循環(huán)切換試驗(yàn)結(jié)果表明（圖3c），經(jīng)過20次循環(huán)，材料依然具有優(yōu)異的超疏水特性與可逆循環(huán)特性。
圖3 水滴在不同陣列尺寸樣品表面的接觸角a和滾動(dòng)角b；c潤濕性可逆循環(huán)檢測結(jié)果；d 液滴在編程表面和恢復(fù)表面狀態(tài)。
為進(jìn)一步探究液體在不同表面形態(tài)上的動(dòng)態(tài)特性，作者使用高速攝像機(jī)觀察了液滴在同一高度垂直撞擊材料表面的過程，如圖4所示，液滴在第19 ms時(shí)完全彈離表面；液滴在編程表面則無法彈離；加熱恢復(fù)后的表面動(dòng)態(tài)潤濕特性恢復(fù)如初。液滴動(dòng)態(tài)潤濕特性進(jìn)一步表明，該表面可以實(shí)現(xiàn)在高低粘附之間的可逆切換。
圖4 液滴撞擊樣品表面動(dòng)態(tài)潤濕特性a初始表面 b編程表面和c 恢復(fù)表面。
自清潔特性試驗(yàn)結(jié)果表明，液滴在初始表面極易滾落，并將表面的沙塵帶離，而編程表面因其對液滴的高粘附性從而不具有自清潔特性，對壓縮表面進(jìn)行簡單加熱，形貌恢復(fù)后的表面隨即展現(xiàn)出優(yōu)異的自清潔特性。
圖5 自清潔特性試驗(yàn)a初始表面 b編程表面和c 恢復(fù)表面。
綜上，作者受荷葉與玫瑰花瓣啟發(fā)，經(jīng)仿生設(shè)計(jì)，以形狀記憶聚氨酯為基體制備出潤濕性可逆切換表面，具有制備簡單、響應(yīng)迅速、可循環(huán)利用等特點(diǎn)，豐富了特殊潤濕性表面的功能，有望拓寬潤濕性材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
該論文通訊作者為張志輝教授和趙杰副教授，第一作者為吉林大學(xué)博士研究生邵艷龍。