Small:宏观石墨烯结构的激光诱导制备实现多液体表面超亲/超疏浸润性的连续调控、定制化选区加工及多功能应用

伴随新一代材料数字化加工技术的不断发展,结构表/界面图案定制化已成为实现多种新奇功能与应用的关键需求。浸润性是固体表面最基本和最重要的属性之一,由于在能源、生物、医药、环境、健康等领域应用中的显著优势,实现具有连续可控浸润性的功能表面已成科学家们广泛追求的研究方向。常规浸润性可调控表面的加工制备主要基于光刻、溶胶-凝胶、喷涂、等离子表面改性、化学气相沉积和电喷雾沉积等技术,并借助掩膜板、纳米压印等工艺实现特殊浸润图案的集成。然而,多数传统方法均需经历复杂、耗时且严格的调制过程,极大限制了其规模化的生产应用。为了匹配多功能润湿性材料的工业化发展需求,高效制备大面积、图案定制化并对多种液体浸润性可调的功能表面具有重要意义。

最近,北京航空航天大学罗斯达教授创新性地提出利用激光失焦辐照结合化学改性工艺快速制备浸润性可调的功能表面,获得了对多种液体均能实现从超亲到超疏液性连续调控的宏观石墨烯材料。研究首先通过改变CO2激光的失焦程度调节激光光斑大小及能量密度分布,实现了对水润湿行为的连续控制;随后,通过浸涂工艺将不同浓度的氟硅烷(HFTPS)接枝到石墨烯表面,实现了对其他低表面张力液体的润湿行为控制;最后,结合激光数字化、选区定制化加工的优势,分别制备具有亲水图案、梯度浸润性、双面浸润性差异的石墨烯纸,充分展示了其在2D/3D细胞定向培养、雾气定向收集及液体反重力运输等方面的应用潜力,不仅拓宽了碳纳米浸润性表面的适用范围,也为新一代智能器件的设计、制造及多功能化提供新视野与新思路。

图1 改变激光失焦程度制备石墨烯纸及其对水的可连续调控浸润性

通过连续改变激光失焦程度从0.0 mm到2.0 mm,调控激光光斑大小和能量密度的重新分布来实现石墨化程度的控制,使得LIGP表面粗糙度从58.18 μm逐渐下降到6.08 μm,表面C含量逐渐从93.88 %下降到73.3 %,O含量逐渐从3.58 %增加到20.13 %,进而实现了LIGP对高表面张力液体(72.8 mN/m,水)从超疏液性(>150)到超亲液性(<10)的连续调控。

图2 氟硅烷改性石墨烯纸的制备及其对低表面张力液体的可连续调控浸润性。

通过将LIGP在不同浓度HFTPS(0 % ~ 1.6 %)的异丙醇溶液中接枝改性,实现了LIGP表面氟含量从0 %到25.9 %的系统调控,使得LIGP的表面能逐渐降低,进而实现LIGP对低表面张力(27.5 mN/m ~ 57.5 mN/m)液体从超亲液性到超疏液性的连续调控。

图3 (a)石墨烯纸对水和油的双亲、双疏及疏水亲油性的选择性调控;(b)大面积超亲水、超亲油、超疏水和超疏油石墨烯纸的润湿均匀性。

独特的激光失焦辐照工艺和HFTPS改性协同赋予了LIGP对多液体的选择浸润性调控,实现LIGP对水和油(32.3 mN/m)的双亲、双疏以及疏水亲油特性。团队还制备了大面积(10 cm  10 cm2)的超亲水、超亲油、超疏水和超疏油LIGP,均表现出极佳的润湿均匀性,这为宏观浸润性可控石墨烯材料的大规模制备带来一定的指导意义。

图4 (a)亲水图案化、梯度浸润性及Janus 石墨烯纸的制备;(b)亲水阵列图案化石墨烯纸用于2D/3D细胞定向培养;(c)梯度浸润性石墨烯纸用于自引发液体输运;(d)Janus石墨烯纸用于液体反重力运输。

基于激光的数字化设计及定制化选区加工的优势,团队还制备了亲水图案化、梯度浸润性和Janus等具有特殊浸润性的LIGP。亲水阵列图案化LIGP成功用于2D/3D细胞定向培养以此来获得最优形态细胞团的制备,对于高通量药物筛选具有重要的应用价值。梯度浸润性LIGP可基于梯度毛细作用力差实现水从超疏水侧向超亲水侧的自引发快速输运。Janus LIGP成功用于水滴的反重力运输,当水滴触及超疏水侧时,向上的毛细作用力克服重力将水滴输送到超亲水侧,该应用证明了Janus LIGP在不需要任何外部能量输入的情况下可连续反重力输送水,将有助于微流控和水收集技术的发展。

结合先进的激光诱导石墨烯技术与化学改性技术,该研究实现了浸润性连续可控石墨烯材料的高效制备。并通过独特的激光定制化选区加工技术实现了多种特殊浸润性LIGP的可控制备,并在2D/3D细胞定向培养、雾气定向收集以及液体反重力定向运输领域展现出了极佳的应用前景,拓宽了浸润性可控、表面图案化材料的适用途径,为下一代智能表/界面的设计与组装带来一定指导性思路与研究基础。

该项目研究获得国家自然科学基金(61701015)、北京市自然科学基金(3202017)、北航青年拔尖人才计划等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Multifunctional Laser-Induced Graphene Papers with Combined Defocusing and Grafting Processes for Patternable and Continuously Tunable Wettability from Superlyophilicity to Superlyophobicity

Yanan Wang, Guantao Wang, Meihong He, Fu Liu, Mingguang Han, Tan Tang, and Sida Luo*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103322

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103322