【参赛作品】仿生智能界面材料:表面张力可随温度改变的水凝胶

人类社会文明的进步与材料科学技术的每一次重大革新都密切相关。近年来,人们越来越关注材料的智能化,该领域的许多发明及成果最初灵感都来自大自然中某些生物的启示,及所谓的仿生材料。这些受亿万年的自然进化而形成的智能生物具有许多优异的结构及性质值得我们去学习,并启发研究人员从生物学的角度思考材料科学与工程问题。

近期,来自中国科学院化学研究所的研究人员受可自清洁的鱼鳞层状叠加结构启发,报道了一种能够感应外界温度变化,从而改变水凝胶表面水粘附力的新型复合水凝胶材料。

该材料以聚二甲基硅氧烷(poly(dimethyl siloxane) ,PDMS)为基础,在高温下将二甲基硅氧烷浸润在熔融的正构烷烃(n-paraffin,石蜡)中,由于石蜡与聚二甲基硅氧烷的亲和力,使得石蜡能够进入聚二甲基硅氧烷的网络结构并引起聚二甲基硅氧烷溶胀;并在经过四小时的充分浸润并冷却后,形成复合型水凝胶。有趣的是,该复合型水凝胶能够呈现出温度响应性物理性质变化,它在低温下呈乳白色,而在加热至石蜡熔融温度之上时变为透明(如图所示)。

该特性主要利用的是石蜡在不同温度下从固态到液态的相变,并且该相变还被证实能够改变水在其表面的附着力。当温度低于石蜡的熔融温度时,石蜡固化,并成为该材料表面一部分,由于该状态下材料具有粗糙的表面结构,使其具有类似于荷叶一样的低表面水附着力。但当温度升高到高于石蜡熔融温度时,由于石蜡的液化,使得熔融的石蜡附着在PDMS表面而让粗糙表面变得光滑,从而提升了水滴在该材料表面附着力。由于石蜡的相变温度是引起该复合型水凝胶表水的附着力改变的关键因素,因此,通过改变石蜡碳链长度就可以制造出感应不同温度的智能界面材料。

由于该智能界面材料能够根据温度的改变而调控其对于水滴的附着力,因此研究者正在考虑将该材料应用于更多领域,例如应用于微流体中微反应控制元件,液滴型显微镜片,酶或蛋白质可控释放等对于液滴附着力具有较高可控要求的领域。

 

原文链接:Temperature-Driven Switching of Water Adhesion on Organogel Surface