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水科学基础研究新进展:分子“自供应”的长寿命疏水材料和密度最小的冰
作者:SF10课题组
     具有超疏水功能的表面在物理、材料、工程、流体、控制等领域表现出良好的应用前景,因而引起了人们的广泛重视。既有超疏水又有其他功能的新型材料更值得关注。过去的几十年中,人们从材料表面的微纳结构和包覆物质两个角度阐明了超疏水性能的内在机理,并设计制备了多种超疏水材料。然而,常见的多数超疏水材料普遍存在着寿命短、功能单一等问题,理想的材料现实生活中确实很少见。另外,现阶段分子层次疏水机理的描述仍然欠缺。
  近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)孟胜研究组黄永峰等与SF5组的陆兴华研究员、胡颖合作,利用二氧化钛纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)设计了一种新型层状材料。该材料能在紫外光处理后迅速发生由超亲水到超疏水的性能转变。特别是,该结构能够长时间保持极佳的超疏水性能。经长达400天的室外测试,浸润角仍然保持在150度左右,超出目前文献中所报道的极限(图1)。
  他们发现,超长的寿命来自一种新的超疏水机制。虽然PDMS是一种相对稳定的聚合物,但是已有的实验证明,紫外光的照射仍然可以使其产生分解,生成分子量较小的物质。这些物质通过扩散穿透二氧化钛纳米颗粒薄层(厚度为1~2 μm,颗粒直径在100 nm以下),并吸附在颗粒表面形成分子包覆层,降低表面张力,从而实现超疏水。该体系的独特之处在于:PDMS的分解呈现出稳定的平衡状态:达到超疏水状态时分解停止,但当包覆层被破坏时,PDMS通过分解、扩散又重新把疏水小分子供应到表面,使材料恢复超疏水状态(图2)。这种分子“自供应”的新机制为实现超长寿命的超疏水性提供了保障(图3)。
  由于二氧化钛纳米颗粒的存在,除了超疏水性,该体系同时还具有光催化、透明性等多种功能和特性,方便形成超疏水/超亲水图案,以实现水分收集。参与该项工作的还有李晖副研究员、朱重钦、张帆等。
  此外,孟胜研究组的博士生朱重钦与内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授、大连理工大学赵纪军教授等合作,通过计算机模拟找到了迄今为止密度最小的冰相(图4)。计算结果表明,这种由较大的正六面体腔体和较小的正十面体构成的s-III冰能够稳定存在于相图中0K时-5834大气压到300K时-3411大气压以下的区域。实验室中利用大小合适的分子作填充物有可能合成这种超轻的冰。如果这种结构被合成,将是水的第18种晶体结构。
  相关结果发表在【Adv. Mater. Inter. ASAP (2016)】和【Science Advances 2, e1501010 (2016)】上。
  上述研究工作得到了科学院水基础科学项目、基金委和科技部的支持。
图1.在400多天的室外环境测试中(包括暴雨、下雪、雾霾等),材料仍保持超疏水性。
图2(左)Raman光谱显示经过紫外光处理后,材料表面上的PDMS(如箭头所示)的特征峰位消失;(右)红外光谱表明,经过处理后,对应于小分子分解产物的两个峰位1024 cm-1和1095 cm-1的强度明显增强。
图3超疏水机理示意图。
图4填充后的s-III冰相的晶体结构。
发表于:2016-3-3
 
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