仿莲叶超浸润稳定漂浮载体的构建——Janus的友谊小船不易翻

观察自然,认识自然,学习自然,为界面科学的发展提供了难以计数的灵感。在自然界中,莲叶等浮萍类植物可以在水面上稳定漂浮,即使水波涟漪,亦能保持平稳,即便倾覆,亦会在水波荡漾下恢复原样。试想,如果将此种稳定的漂浮能力应用于船体设计或是浮桥铺设,势必会对目前的工程设计产生积极意义。

AFM-caomoyuan

受自然界莲叶的启发,天津大学曹墨源副研究员与北京航空航天大学江雷院士团队合作,考察了莲叶等浮萍类植物稳定漂浮能力的内在原因,并进一步仿生构建了具有更佳稳定性的可漂浮材料。通过观察,研究者发现这种神奇的漂浮能力很大程度上源于其上下表面截然不同的表面浸润性质。莲叶的上表面具有典型的超疏水性质,促使其有能力漂浮于水面之上;而莲叶下表面的超亲水特性使得其紧密贴覆于水面。这种超疏水/超亲水协同系统,有别于之前针对单一超疏水漂浮体的研究。在之前的研究中,具有超疏水性质的可漂浮材料已经被广泛应用于油水分离、日光蒸发等领域,但由于超疏水界面本身与水面的附着力极低,使得其易于脱离水面,影响其界面稳定性。基于以上分析,研究者通过对铜片上下表面的差异性浸润性修饰,制备出具有超疏水/超亲水二元协同性质的Janus铜片,同时证明Janus铜片不仅可以漂浮于水面之上,又可以紧密贴覆于水-气界面,实现了受莲叶启发的稳定漂浮能力。进一步对比Janus与单一超疏水材料的漂浮性能,研究者发现在水面摇动、强风吹拂以及在类瀑布的垂直水-气界面等情况下,通过Janus铜片构建的小筏依然能够保持正常航行,而单一超疏水铜片构建的小筏早已倾覆。此工作可以为构建基于超疏水性质的漂浮材料启发新的思路,为水面漂浮、水面航行稳定性等实际应用提供指导意义,并且拓宽了界面材料二元协同概念的应用范围。相关研究论文近期发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201701466)上,第一作者为北航化学院创新训练营赵昱焱同学。