水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的研究进展

水下超疏油表面由于在防污材料、微流控技术、生物粘附等方面具有广泛的应用前景,已经引起人们的普遍关注。本文简单介绍了浸润性在液相体系的相关概念及基础理论,综述了自然界中的水下超疏油低粘附生物体典型实例以及水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的仿生制备和智能调控,并对水下超疏油仿生界面材料的发展进行了展望。     

仿生微纳米纤维黏附材料

自然界中功能与结构相统一的生物材料是人类社会创新的灵感源泉。在众多具有优异性能的生物材料中,具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维一直是仿生研究领域的热点之一。生物微纳米纤维黏附现象是自然界中存在的一类奇特的现象,众多具有特殊黏附性质和功能的生物微纳米纤维材料在生物运动、防御和猎物捕获等方面都具有重要的作用。生物微纳米纤维黏附主要包括纤维尖端的黏附和表面的黏附,如壁虎脚刚毛尖端的黏附和蜘蛛丝表面的黏附。研究表明生物微纳米纤维黏附作用主要来源于其特殊的微纳米结构和表面性质。受自然界中具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维启发,人们设计和开发了众多性能优异的仿生微纳米纤维黏附材料。微纳米纤维黏附材料在干态粘胶、高效集水和空气过滤等领域都具有重要的应用价值。本文综述了壁虎脚刚毛、蜘蛛丝等生物微纳米纤维的黏附机理及其相应仿生材料的研究进展,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

仿生超疏水性表面的生物应用

自然给科学家和工程师带来仿生的灵感和启发. 近年来, 受自然界中荷叶的启发, 在充分考虑表面形貌和化学组成协同效应的基础上, 人们已经制备出许多仿生超疏水性表面, 这些表面在抗结冰、微流体、生物相容性等领域具有很多潜在的应用价值. 仿生超疏水性表面在生物领域的应用逐渐崭露头角, 研究发现, 超疏水性表面所俘获的空气能够减缓药物释放的速率, 因此利用此类表面作为药物的载体有望实现长期供药. 超疏水特性能在一定程度改善和提高生物体与材料表面之间的相互作用, 例如, 血小板几乎不在超疏水表面上进行粘附和活化避免了造成血栓和血凝, 因此仿生超疏水性表面可用于制备人造血管和与血液相接触的仪器. 细胞和生物分子在不同特殊润湿性表面具有不同的行为和现象, 如粘附、繁殖、吸附等差异, 这有助于进一步探索研究细胞和生物分子的信息功能, 是当前仿生超疏水性表面应用的重要研究方向之一. 本综述简单介绍了经典的润湿模型, 重点总结了仿生超疏水表面在生物领域的应用, 其主要包括控制药物释放、提高血液相容性、蛋白质吸附研究、细胞行为研究、生物分子和细胞微图案化等. 最后, 对仿生超疏水性表面在生物领域研究应用进行了展望.     

多功能超润湿材料的设计制备与应用

仿生超润湿材料是指类似自然界中生命体具有的特殊浸润界面性质的一类材料。近20年来,研究人员通过模仿自然,揭示了一系列超润湿界面材料的构建机理,设计制备了多种仿生超润湿材料,并将这些具有特殊表面浸润性能的材料拓展应用到了国防、军工、航空航天、建筑、农业、医疗、海洋防污等众多领域。本文首先介绍表面润湿现象的基础理论,接着从仿生的角度出发,介绍了以仿荷叶、鱼鳞、沙漠甲虫、猪笼草为代表的几种拥有不同表面浸润性能的材料,并总结了这几种材料的仿生设计原理、结构与性能的关系以及所面临的问题。综述了近年来仿生超润湿材料在防污抗菌、防雾防霜防覆冰、油水分离等方面的应用进展,最后展望了仿生超润湿材料的发展方向。     

浸润性可调的导电聚苯胺/聚丙烯腈同轴纳米纤维

聚苯胺(PANI)因其具有可调的导电性、优异的化学稳定性、简单的制备方法等特点, 在化学电源、抗静电涂层、电磁屏蔽材料、抗腐蚀、传感器等领域具有广泛的应用前景[^1~4]. 由于聚苯胺的刚性分子链使得聚苯胺几乎不溶不熔, 难以加工应用, 因此, 将导电聚合物直接制成纳米纤维一直是合成纤维界所希望的目标之一. 此外, 由于材料尺度的减小, 使纳米材料的表面与界面性质,尤其是表面浸润性变得更为突出.浸润性是固体表面的重要特征之一, 它主要由表面的化学组成和微观结构共同决定^[5,6]. 可调的浸润性在超疏水材料、药物传输、仿生材料和微流体等领域具有重要的应用价值^[7~10] , 引起人们广泛关注.     

表面引发聚合新进展及应用

综述了近年来聚合物刷合成与应用方面的新进展.简要介绍了利用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)制备聚合物刷的历程和重要进展.重点论述了通过电化学、光诱导以及牺牲阳极技术、仿生合成等发展了多种表面引发ATRP新方法,基于如何将聚合物从分子尺度过渡到微米尺度的思考,实现了多尺度聚合物刷结构的制备.简要综述了聚合物刷在以下3个方面的应用研究:(1)智能驱动,利用聚合物刷构象变化,实现微悬臂驱动、辅助放大的电驱动以及仿毛毛虫运动.(2)生物润滑,利用聚合物的环境响应行为实现了对摩擦系数的调控,并发展了球刷型润滑材料.(3)表面防污,表面接枝含离子液体官能团的聚合物刷,并与仿生技术相结合,利用化学组成和结构化协同效应,得到一系列高性能低毒海洋防污界面材料.     

仿生超浸润界面传感技术在生物分析中的应用

仿生超浸润界面材料是构建高灵敏度、高特异性生物传感器的一类新兴材料,广泛适用于环境监测、生物医药、食品分析等领域。本文介绍了4种典型的超浸润界面,包括超疏水界面、超亲水界面、超润滑界面以及图案化浸润性界面,总结了界面浸润性调控在电化学、荧光、可视化、表面增强拉曼和可穿戴检测器件等技术中的研究和最新进展,阐述了传感器构建机理和检测机制。最后,对仿生超浸润界面传感技术在生命分析应用中存在的问题和现存的挑战进行了总结和讨论。     

卟啉电化学

卟啉是一种光电活性物质,在生命过程中起着至关重要的作用,金属卟啉在生物体中参与重要的电子交换及能量转换过程,对氧化还原过程起重要的作用.借助多种电化学方法和表面分析技术可研究界面电子传递的过程,借助化学计量学和量子化学构建界面电子转移过程的数学模型,对卟啉类化合物在电子转移、仿生催化和纳米界面的电子转移等领域进行深入的研究.     

仿生干湿摩擦黏附器件的研究进展

生物在自然界的演化过程中进化出了许多独特的干湿摩擦、黏附器官来适应其生存环境.研究人员通过对自然界中典型摩擦与黏附现象的研究、认识和总结,提出了相应的仿生界面摩擦、黏附理论与模型,用于指导人工合成型智能摩擦黏附材料与器件.目前,仿生摩擦、黏附材料体系与器件的设计策略主要以表面微结构、界面物理化学相互作用以及机械形变为基...     

柔性电子学中的表界面化学

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、 化学、 物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、 可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、 导电层、 功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、 可靠性、 对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.     

仿生超疏水表面的抗冷凝失效研究进展

在存在一定过冷度或蒸汽过饱和度的条件下,水蒸汽可在固体表面凝结成核.随着过冷度增大,液滴成核半径将随之减小,冷凝液滴的生长融合将无法避免地发生在超疏水表面不可或缺的微/纳米结构内.若液滴不能及时排出,则会滞留在表面结构内并挤出空气,形成局部浸润,导致材料表面的超疏水性能下降或失效,甚至引起泛洪.本文首先总结了表面因冷凝...     

具有各向异性微纳米分级结构表面的构筑及其特殊浸润性的研究进展

自然界存在许多具有各向异性表面结构的生物,其表面表现出典型的对液体操控的方向性的差异。近年来,这种表面微结构的构筑引起了广泛的研究兴趣,已成为一个热点研究方向。天然的各向异性浸润表面是由复杂的异质微纳米结构组成,基于基础研究和应用推广的目的,可以将其简化为一些有序的方向性结构表面。本文介绍了现在应用广泛的几种各向异性微纳米分级结构的构筑方法,并对比分析其可行性。同时,文中还深入讨论了各向异性微纳米分级结构表面对于液体行为的调控。这种各向异性微纳米分级结构表面在微流体运输、微流控芯片等领域将有重要应用,也会对生命科学(比如生物芯片和重大疾病的早期诊断)、能源(比如电极材料的可控制备)和环境(比如污染物的分离及定向转化)等研究做出巨大的贡献。     

Evaporative characteristics of sessile nanofluid droplet on micro‐structured heated surface

Micro‐structure patterned substrates attract our attention due to the special and programmable wettabilities. The interaction between the liquid and micro/nano structures gives rise to controllable spreading and thus evaporation. For exploration of the application versatility, the introduction of nanoparticles in liquid droplet results in interaction among particles, liquid and microstructures. In addition, temperature of the substrates strongly affects the spreading of the contact line and the evaporative property. The evaporation of sessile droplets of nanofluids on a micro‐grooved solid surface is investigated in terms of liquid and surface properties. The patterned nickel surface used in the experiments is designed and fabricated with circular and rectangular shaped pillars whose size ratios between interval and pillars is fixed at 5. The behavior is firstly compared between nanofluid and pure liquid on substrates at room temperature. For pure water droplet, the drying time is relatively longer due to the receding of contact line which slows down the liquid evaporation. Higher concentrations of nanoparticles tend to increase the total evaporation time. With varying concentrations of graphite at nano scale from 0.02% to 0.18% with an interval at 0.04% in water droplets and the heating temperature from 22 to 85°C, the wetting and evaporation of the sessile droplets are systematically studied with discussion on the impact parameters and the resulted liquid dynamics as well as the stain. The interaction among the phases together with the heating strongly affects the internal circulation inside the droplet, the evaporative rate and the pattern of particles deposition.     

聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的研究

高分子材料3D打印加工可制备传统加工不能制备的形状复杂的高分子制件,是近年来发展很快的先进制造技术。但适用于3D打印加工的高分子材料种类少,结构功能单一,难以制备高分子功能器件。本文介绍了我们在聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工方面的研究工作:通过有机/无机杂化、固相剪切碾磨、超声辐照、分子复合等技术制备适合于选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)的聚合物基微纳米功能复合材料;实现了聚合物基微纳米功能复合粉体的SLS加工和功能复合丝条的FDM加工;研究了3D打印低维构建、层层叠加、自由界面成型、复杂固-液-固转变过程;建立了功能复合粉体球形化技术,发明了直接熔融挤出新型FDM打印机;制备了常规加工方法不能制备的数种形状复杂的功能器件,如尼龙11/钛酸钡压电器件、柔性聚氨酯/碳纳米管传感器、个性化人颌骨模型等,突破了传统加工难以制备复杂形状制品和目前3D打印难以制备功能制品的局限。     

Advances in Template Prepared Nano‐Oxides and their Applications: Polluted Water Treatment,Energy, Sensing and Biomedical Drug Delivery

The nano‐oxide materials with special structures prepared by template methods have a good dispersion, regular structures and high specific surface areas. Therefore, in some areas, improved properties are observed than conventional bulk oxide materials. For example, in the treatment of dye wastewater, the treatment efficiency of adsorbents and catalytic materials prepared by template method was about 30 % or even higher than that of conventional samples. This review mainly focuses on the progress of inorganic, organic and biological templates in the preparation of micro‐ and nano‐ oxide materials with special morphologies, and the roles of the prepared materials as adsorbents and photocatalysts in dye wastewater treatment. The characteristics and advantages of inorganic, organic and biological template are also summarized. In addition, the applications of template method prepared oxides in the field of sensors, drug carrier, energy materials and other fields are briefly discussed with detailed examples.     

Drop impact characteristics and structure effects of hydrophobic surfaces with micro- and/or nanoscaled structures

We report the drop impact characteristics on four hydrophobic surfaces with different well-scale structures (smooth, nano, micro, and hierarchical micro/nano) and the effects of those structures on the behavior of water drops during impact. The specimens were fabricated using silicon wet etching, black silicon formation, or the combination of these methods. On the surfaces, the microstructures form obstacles to drop spreading and retracting, the nanostructures give extreme water-repellency, and the hierarchical micro/nanostructures facilitate drop fragmentation. The maximum spreading factor (D*(max)) differed among the structures. On the basis of published models of D*(max), we interpret the results of our experiment and suggest reasonable explanations for these differences. Especially, the micro/nanostructures caused instability of the interface between liquid and air at Weber number We > ~80 and impacting drops fragmented at We > ~150.     

SLIPS功能表面的制备及应用

仿猪笼草唇叶结构的滑移功能表面(SLIPS)是通过将全氟液体、硅油或离子液体等润滑油注入到提前构建好的含有多孔或分级粗糙结构基底制备得到.由于毛细作用力和范德华力,动态油膜能够稳定锁定在粗糙基底中.所得到SLIPS的化学均相表面和特殊的液-固结合界使其展现出优异的液体排斥性、自修复性和高压稳定性等,并在近十年内成为表界...     

Dynamic effects of bouncing water droplets on superhydrophobic surfaces

Superhydrophobic surfaces have considerable technological potential for various applications due to their extreme water repellent properties. Superhydrophobic surfaces may be generated by the use of hydrophobic coating, roughness, and air pockets between solid and liquid. Dynamic effects, such as the bouncing of a droplet, can destroy the composite solid-air-liquid interface. The relationship between the impact velocity of a droplet and the geometric parameters affects the transition from the solid-air-liquid interface to the solid-liquid interface. Therefore, it is necessary to study the dynamic effect of droplets under various impact velocities. We studied the dynamic impact behavior of water droplets on micropatterned silicon surfaces with pillars of two different diameters and heights and with varying pitch values. A criterion for the transition from the Cassie and Baxter regime to the Wenzel regime based on the relationship between the impact velocity and the parameter of patterned surfaces is proposed. The trends are explained based on the experimental data and the proposed transition criterion. For comparison, the dynamic impact behavior of water droplets on nanopatterned surfaces was investigated. The wetting behavior under various impact velocities on multiwalled nanotube arrays also was investigated. The physics of wetting phenomena for bouncing water droplet studies here is of fundamental importance in the geometrical design of superhydrophobic surfaces.     

纳通道的物质传输特性及应用

近年来,随着材料科学、微纳加工技术和微纳尺度物质传输理论的发展,纳通道技术得到了越来越多的研究和关注。纳通道包括生物纳通道和人工纳通道,其孔径通常为1~100 nm。在这一尺度下,通道表面与通道内物质之间的作用概率大大增强,使得纳通道表现出许多与宏观体系不同的物质传输特性,例如通道表面电荷与通道内离子之间的静电作用产生了离子选择性,通道内电化学势的不对称分布产生了离子整流特性,物质传输过程中占据通道产生了阻塞脉冲特性等。纳通道中的这些物质传输特性在传感、分离、能源等领域具有广泛应用,例如通过对纳通道进行功能化修饰可以实现门控离子传输;利用亚纳米尺度的通道可以实现单分子传感;利用通道与传输物质之间的相互作用可以实现离子、分子、纳米粒子的分离;利用纳通道的离子选择性可以在通道内实现电荷分离,将不同形式的能量（如光、热、压力、盐差等）高效转化为电能。纳通道技术是化学、材料科学、纳米技术等多学科的交叉集合,在解决生物、环境、能源等基本问题方面具有良好的前景。该文综述了近10年来与纳通道物质传输理论以及纳通道技术应用相关的前沿研究,梳理了纳通道技术的发展过程,并对其在各个领域的应用进行了总结与展望。     

Numerical simulation of droplet coalescence behavior in gas phase under the coupling of electric field and flow field

The coalescence behavior of droplets in an electric field belongs to the important research contents of electrohydrodynamics. Based on the phase field method of the Cahn–Hilliard equation, the electric field and the flow field are coupled to establish the numerical model of twin droplet coalescence in a coupled field. The effects of flow rate, electric field strength, droplet diameter, and interfacial tension on the coalescence behavior of droplets during the coalescence process were investigated. The results show that the dynamic behavior of the droplets is divided into coalescence, after coalescence rupture, and no coalescence under the coupling of electric field and flow field. The proper increase of the electric field strength will accelerate the coalescence of the droplets, and the high electric field strength causes the droplets to burst after coalescence. Excessive flow rates make droplets less prone to coalescence. Under the coupling field, the larger the droplet interface tension, the smaller the droplet diameter, the smaller the flow rate, and the shorter the droplet coalescence time. The results provide a theoretical basis for the application of electrostatic coalescence in gas–liquid separation technology.