具有冷凝微滴自驱离性能的仿生超疏TiO2基纳米结构表面

众所周知,冷凝是工业生产中常见的一种现象,当常温水蒸气遇到低温基底时,容易冷凝形成液滴。目前来说,冷凝最主要的模式为膜状冷凝和滴状冷凝。其中滴状冷凝在相变传热方面远远高于膜状冷凝(大约为十倍左右)。其主要的脱落方式为重力诱导,即:一旦冷凝液滴的直径达到临界值,冷凝液滴便会由于重力而脱落。此外,不同于重力诱导脱落,微滴融合诱导驱离是一种很有效的滴状冷凝脱落模式,即:不需要借助任何外力的驱动,而是通过液滴融合所释放的多余的表面能来进行诱导。鉴于此,近年来,仿生超疏表面冷凝微滴自驱离(Condensate Microdrop Self-propelling)研究越来越受到科研人员的重视。作为一种典型的固液界面动态弹离的现象,此项基础研究对于众多应用,如自清洁,防覆冰,冷凝传热强化等,具有重要的研究意义。

目前,作为重要的工程材料,钛金属及其合金在医学、航空航天、军事等领域的应用,仅仅是利用了钛材料的基本性能,比如优良的机械性能、抗腐蚀性能等,并没有解决结霜结冰的问题。这主要是因为钛基底的热导率不高,不利于产生冷凝微滴自驱离现象。然而,如果冷凝微滴长期附着在钛基底表面,很容易引起钛基底表面结冰等问题,严重影响以钛基为主要材料的器件寿命,并容易引发严重的事故。因此, 鉴于钛材工业应用领域广泛以及现有技术的诸多缺陷,设计出具有冷凝微滴自驱离性能的TiO2基纳米结构表面成为急需解决的问题。

图1:TiO2基纳米结构表面的冷凝微滴自驱离: a-e,规则纳米管阵列;f-j,不规则纳米管阵列;k-o,纳米分级结构阵列

最近,苏州大学赖跃坤教授和他的课题组结合实验室的工作,在中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所高雪峰研究员的帮助下,基于仿生超疏表面冷凝微滴自驱离的研究进程,通过在钛基底表面构造不同的TiO2基纳米结构,开展了一系列冷凝微滴自驱离性能的相关研究。首先基于电化学阳极氧化的方法,他们在钛基底表面构造不同的TiO2基纳米结构(规则纳米管阵列,不规则纳米管阵列,纳米分级结构阵列),并进行低表面能物质修饰。然后,通过观察冷凝微滴在不同表面的融合过程,他们发现三种表面都可以表现出优异的冷凝微滴自驱离性能。这是因为形成的冷凝液滴自驱离功能表面,一方面,有效气泡成核点的增加,使冷凝液滴大量快速的产生,从而提高冷凝液滴融合的几率;另一方面,液滴与钛材底表面粘附性的降低使融合的液滴迅速自驱离,阻止界面因温度进一步降低产生结霜结冰的现象。

图2:TiO2基纳米结构表面的冷凝微滴自驱离机理: a,规则纳米管阵列;b,不规则纳米管阵列;c,纳米分级结构阵列

然而,结合冷凝微滴在不同表面的融合过程图,通过对接触角、滚动角、粗糙度和粘附力的分析与对比,他们发现,融合弹离微滴的直径和密度有所不同。于是,他们讨论了表面形貌对冷凝微滴自驱离性能的影响,并进一步提出了关于基底表面融合微滴自驱离的相关机理。经分析,纳米分级结构因其具有较高的粗糙度、极低的表面粘附力,同时拥有更多的亲水成核位点和更大的疏水区域,而发挥了更优异的冷凝微滴自驱离性能,确保了更小的微滴发生融合以后可以弹离基底表面,避免进一步结霜结冰而引发的一系列问题。相关工作以封面扉页(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201770022/full)亮点介绍形式发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201600687)上。