出淤泥而不染的荷葉，捕蟲(chóng)高手豬籠草，科學(xué)家們研究仿生，利用自然界賦予的神奇功效為人類(lèi)服務(wù)。然而，仿生“荷葉”和“豬籠草”卻有一顆“玻璃心”，一旦受到外界觸碰，“自清潔”功能也隨即消失。

    “我們要做可以應(yīng)用的硅基仿生自清潔材料。”中科院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張俊平研究員對(duì)記者說(shuō)。

    機(jī)械穩(wěn)定性差，仿生材料難應(yīng)用

    “出淤泥而不染，濯清漣而不妖。”人們很早就知道荷葉表面有“自清潔”效應(yīng)。其實(shí)，天鵝羽毛、北極熊皮毛也具有類(lèi)似功能。另外，豬籠草捕蟲(chóng)籠口部具有超滑作用，從而能夠捕獲昆蟲(chóng)。近年來(lái)，仿荷葉超疏水涂層、超雙疏（超疏水且超疏油）涂層及仿豬籠草超滑涂層等特殊潤(rùn)濕性涂層、材料受到較高關(guān)注。它們可以用來(lái)防污染、防腐、防雪、防結(jié)冰以及流體減阻等，在人們的日常生活中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

    科學(xué)家們研發(fā)的仿生自清潔材料可以成功模擬荷葉的超疏水，豬籠草的超滑。然而，大多數(shù)研究成果卻只能停留在實(shí)驗(yàn)室。

    “不能碰，摸一下就失去功能。”張俊平說(shuō)，機(jī)械穩(wěn)定性差、制備方法復(fù)雜、昂貴，低表面能液體易粘附和基底材料性質(zhì)依賴性強(qiáng)等問(wèn)題，成為仿生自清潔材料實(shí)際應(yīng)用的瓶頸因素。

    源于自然，高于自然，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超疏水

    “我們要做可以應(yīng)用的仿生自清潔材料。”奔著這個(gè)目標(biāo)，從2009年，張俊平團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究硅基仿生超疏水、超雙疏材料。

    研究小組首先通過(guò)有機(jī)硅納米線的可控生長(zhǎng)，可在各種表面上（玻璃、硅片、紡織品、木材、塑料、鋁合金等）形成超疏水、超雙疏涂層，但穩(wěn)定性不高。另外，研究小組還嘗試采用有機(jī)硅納米線制備了仿豬籠草超滑涂層，具有機(jī)械穩(wěn)定性高和自修復(fù)的特點(diǎn)。然而，仿荷葉超雙疏涂層與仿豬籠草超滑涂層在液體運(yùn)動(dòng)速度和自清潔性方面有顯著區(qū)別，仿豬籠草涂層的液膜容易受到污染，且易揮發(fā)。液膜揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致其喪失自清潔性，制約實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》等雜志上。

    針對(duì)超疏水材料機(jī)械穩(wěn)定性差的問(wèn)題，2013年，研究小組從粗糙基底入手，采用浸涂法制備出了無(wú)氟硅基穩(wěn)定超疏水織物（如聚酯、棉、羊毛、絲綢等），具有優(yōu)異的耐摩擦、耐機(jī)洗和耐干洗性能，可應(yīng)用于服裝、包等戶外用品。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結(jié)合，制備了磁性油水分離海綿、光催化油水分離材料和自清潔抗生物粘附材料等。相關(guān)研究成果發(fā)表在《化學(xué)通訊》等雜志上。

    在上述工作基礎(chǔ)上，研究小組通過(guò)在硅烷聚合反應(yīng)過(guò)程中引入碳納米管等纖維狀納米材料，合成了一系列新型硅烷聚合物納米復(fù)合材料，成功地在多種基底材料上制備了穩(wěn)定超疏水涂層，涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性和一定的自修復(fù)性。

    凹凸棒石，讓仿生材料更環(huán)保

    一個(gè)個(gè)難關(guān)的攻克，讓團(tuán)隊(duì)有信心向更高目標(biāo)發(fā)起沖刺——“綠色”穩(wěn)定超疏水、超雙疏涂層。“以往制備涂層都使用合成納米材料，不僅價(jià)格昂貴，還會(huì)污染環(huán)境。”張俊平說(shuō)，為什么不用天然納米材料制備仿生自清潔涂層呢？

    2013年，研究小組首次采用凹凸棒石等天然納米材料，合成了穩(wěn)定超疏水涂層。凹凸棒石是一種含水富鎂鋁的硅酸鹽黏土礦物，是一種天然的一維納米材料。凹凸棒石在我國(guó)儲(chǔ)量巨大，集中于甘肅臨澤、江蘇盱眙等地。隨著研究的深入，另一個(gè)問(wèn)題擺在面前。當(dāng)超疏水涂層遇到油或其他有機(jī)物，涂層會(huì)失效。2016年，研究小組首次采用凹凸棒石制備了穩(wěn)定超雙疏涂層，具有優(yōu)異的超雙疏性能、超疏熱液體性能和綜合穩(wěn)定性及較好的自修復(fù)性。研究表明，凹凸棒石在構(gòu)筑超疏水、超雙疏涂層方面優(yōu)于膨潤(rùn)土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎(chǔ)上，拓展了其在藥物控釋和液體彈珠等領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了空氣層調(diào)控的藥物控釋和不同表面能液體彈珠的可控制備。此外，通過(guò)控制硅烷在凹凸棒石表面的水解縮合反應(yīng)，制備了水性超疏水涂層，也具有優(yōu)異的綜合性能。

    瑪雅藍(lán)是一種具有艷麗色彩的有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合顏料，由凹凸棒石和一種來(lái)自植物的靛藍(lán)分子復(fù)合而成，古代瑪雅人將其廣泛應(yīng)用于壁畫(huà)、陶器和雕刻中。瑪雅藍(lán)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，長(zhǎng)年累月的氣溫變化和潮濕的空氣也無(wú)法使它褪色。在前期類(lèi)瑪雅藍(lán)顏料和仿生自清潔涂層的研究基礎(chǔ)上，研究人員首次將類(lèi)瑪雅藍(lán)顏料與超疏水、超雙疏涂層相結(jié)合，制備了色彩豐富的自清潔類(lèi)瑪雅藍(lán)顏料和涂層。超疏水、超雙疏涂層的引入，顯著提高了類(lèi)瑪雅藍(lán)顏料的穩(wěn)定性，并賦予其自清潔性能，可應(yīng)用于耐久性涂料或文物修復(fù)。

    目前，團(tuán)隊(duì)還制備出超疏水、超雙疏硅基3D泡沫材料，它獨(dú)特的3D多孔結(jié)構(gòu)在過(guò)濾、油水分離、污染物分離等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

    上述研究工作得到了中科院“百人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414