Small Structures:槐叶萍仿生功能表面的先进制造和应用

在漫长的进化过程中,许多动物和植物(如水黾、荷叶和水稻叶),已经进化出超疏水表面,以对抗生存威胁(如微生物感染、污垢粘附和流动阻力)。由于其多种卓越的特性,超疏水表面已经应用在抗菌、防污、防腐、减阻、油水分离、防结冰和防结霜等领域。然而,常见的超疏水表面微纳结构中存储的空气容易在外部干扰、自身损坏等情况下流失,从而使超疏水状态失效,导致Cassie-Baxter态转向Wenzel态或中间态。因此,如何长期保持超疏水表面的空气层对于其工程应用具有十分重要的意义。槐叶萍Salvinia是一种浮萍,其长期漂浮在水面,很难被水淹没。研究发现其具有优秀的保气能力,可达数天到数月,并且其顶端对水滴具有强烈的粘附力,这种现象被称为Salvinia effect。这种出色的保气能力,归功于槐叶萍叶子独特的打蛋器结构,以及疏水蜡质晶体和尖端亲水斑块组成的异质结构。虽然槐叶萍仿生表面在多个领域具有广阔的应用前景,然而这种复杂的异质打蛋器结构的对于传统的仿生制造来说极为困难,因此一些先进、高效、低成本的制造技术被用于复制这种复杂的结构。

吉林大学田丽梅课题组对槐叶萍仿生功能表面近十年来的先进制造技术、应用,以及超疏水表面保气能力的评价方法进行了全面的综述,并论述了槐叶萍仿生功能表面在制造和应用中面临的挑战。文章共同通讯作者为靳会超博士,第一作者为青年教师邴薇博士。

本文首先总结了槐叶萍保气能力的机理,分别为:(1) 结构支撑,(2) 最大化的穿透能量,(3) 钉扎效应,和 (4) 结构弹性缓冲。在此基础上,又总结了在仿生表面实现Salvinia effect的5个准则:(1) 疏水表面,(2)大高宽比毛发结构,(3)毛发的倾斜结构,(4)弹性毛发,以及(5) 尖端亲水。这些准则为人工制造槐叶萍仿生表面更好的实现Salvinia effect提供了依据。

2011年,光刻技术首次用于制作简化的打蛋器结构。此后的10年,直接激光光刻、气相沉积(包括LTCVD,APPCVD,WACVD等)、电沉积、静电纺丝、静电植绒、3D打印、等离子刻蚀、化学刻蚀等技术相继被用来制造槐叶萍仿生表面。随着先进制造技术的发展,槐叶萍仿生表面的结构愈加接近天然的槐叶萍表面的精细结构。本文对这些先进技术的优、缺点,以及未来的机遇和挑战进行了讨论。

在过去的10年间,槐叶萍仿生表面优异的保气性和高附着力激发了许多应用,例如:减阻、水收集、水蒸发、拒水、油水分离、保温等,该综述重点关注了这些应用的发展前景和存在的问题。还讨论了槐叶萍仿生表面保气能力的评价方法,这些方法经历了从定性到定量的发展,使得评价方法更加科学合理。

槐叶萍叶子表面的微结构
槐叶萍仿生表面制造技术的发展

论文信息:

Small Structure, Large Effect: Functional Surfaces Inspired by Salvinia Leaves

Wei Bing, He Wang, Limei Tian*, Jie Zhao, Huichao Jin*, Wenbo Du, Luquan Ren

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100079

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100079