【写作竞赛】蛤蜊贝壳的启发:具有水下超低粘附疏油性能的新型高能无机涂层材料

超级疏油表面材料在抗生物附着,工业金属清洗,油/水分离和微流道液滴操作等许多领域都具有潜在的应用价值,因此这种材料引起了研究者的广泛关注。以往研究者通过结合氟化低表面能化学物质和微/纳米层次结构,构造了很多优秀的超级疏油表面材料。然而,这些表面材料的疏油性质仅能在空气中保持。而一旦有水存在的条件下,这些传统的低能表面材料就会丧失疏油功能,因此限制了这些材料在水上设备抗油污和漏油清理领域的应用。               

通过研究自然界中特殊的表面粘附性现象,并采用仿生手段模拟自然现象,成为设计界面材料的重要方法之一。近日,研究者受到水下自清洗鱼皮肤的启发,找到了能够开发制备超级疏油表面材料的新方法。这种新型的研究策略是利用高能材料的亲水性质,在油/水/固三相体系中实现良好的抗油性。利用高表面能材料如聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶,一些水下超级疏油表面材料已经被研究制备。进一步探索这些新类型的高能表面材料可以为金属船舶和其他水上设备抗油污提供解决方案,从而到达协助应对严重的石油泄漏危机的目的。

受到短蛤蜊贝壳的灵感启发,化学所有机固体院重点实验室的研究人员利用仿生原理找到了一种制备新型的在水下超级疏油的高能无机表面涂层材料的简单新方法。短蛤蜊壳,无论是外表面还是内表面,在自然环境中总是能保持清洁。以往的研究证明许多不同种类的双壳类和腹足类动物壳的外表面可以抵抗微生物的附着保持自清洁,但是内壳表面的自清洁能力以往的研究中没有涉及。化学所的研究人员通过研究短蛤蜊壳内表面发现,短蛤蜊壳内表面被外套膜线(大脑皮层肌痕)分为两个部分:空边缘区域(区域1)和大脑皮层覆盖的内在区域(区域2)。研究发现这两个区域表现出截然不同的疏油特性:相比于空边缘区域,大脑皮层覆盖的内在区域表现出显著的对油低粘附的超级疏油特性。大脑皮层覆盖的内在区域的疏油特性主要源自于该区域高能无机碳酸钙的化学组成和表面特殊的微/纳分层结构。受短蛤蜊壳的启发,研究者利用无机氧化铜材料制备了水下对油低粘附的超级疏油高能涂料。研究者通过简单的氨水氧气吸收腐蚀方法,在金属铜基底上构建了水下超级疏油的无机高能氧化铜涂层。通过调节腐蚀时间,可以调节氧化铜涂层的表面结构和粗糙度,从而控制油滴在氧化铜涂层表面粘附性的大小。

该研究利用无机氧化物表面基于表面微米/纳米层结构实现了材料水下超级疏油特性。这种水下超级疏油无机涂层的制备方法简单,不需要复杂的结构设计和精巧的显微机械加工技术。并且这一功能化涂层可以拓展到其他的无机材料系统,同时该研究组也正在研究通过模仿生物矿化过程,制备有机无机杂化材料,实现多功能水下超级疏油涂层材料的制备,这种新型涂料为水下超级疏油工程金属表面的设计制备提供了思路,并且预计,这类新型涂料在水相设备抗油污、抗生物污损,原油泄漏清理,水/油分离等方面具有广阔潜在应用前景。

这一研究成果发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201200797)。