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六种极端润湿性集于一身:超疏/亲水、水下超疏/亲油、水下超疏/亲气

2018-01-03 10:33:40
作者:本网整理
来源:高分子科学前沿

固、液、气是物质的三种基本形态。每一种形态往往会与其它形态彼此接触在一起,形成不同类型的固/液/气界面。在固/液/气界面处的极端润湿性有着广阔的应用领域,如防水防油、自清洁涂层、油水分离、抗腐蚀、防雾防结冰、水雾收集、微液滴操作、微流体、芯片实验室、水下减阻、细胞工程等等。

    固、液、气是物质的三种基本形态。每一种形态往往会与其它形态彼此接触在一起,形成不同类型的固/液/气界面。在固/液/气界面处的极端润湿性有着广阔的应用领域,如防水防油、自清洁涂层、油水分离、抗腐蚀、防雾防结冰、水雾收集、微液滴操作、微流体、芯片实验室、水下减阻、细胞工程等等。


    近日,陈烽教授领西安交通大学导的飞秒激光仿生微纳制造团队在飞秒激光制备的PDMS微纳多级表面结构上获得了六种极端润湿特性,包括超疏水、超亲水、水下超疏油、水下超亲油、水下超疏气、和水下超亲气性。该团队进一步提出了一种简单、无需掩膜板直接构建润湿性相异复合图案结构的方法。该工作的第一完成人为青年讲师雍佳乐博士。


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    ▲ 图:飞秒激光烧蚀后的PDMS表面微结构。


    飞秒激光烧蚀可以一步直接在PDMS表面上构建一种微米纳米复合结构。所形成粗糙结构增强了PDMS样品的疏水性,使激光烧蚀后的样品拥有超疏水和极低水粘滞性。当将该样品浸入水下后,激光烧蚀区域有明显的反光现象,也称为“银镜效应”。这说明在激光诱导的微纳结构周围附着了一层空气层。当将油滴或气泡滴落在该水下样品上时,油滴或气泡会很快沿着该空气层铺散开。这个过程由压力和毛细作用驱动完成。最终使得样品显示水下超亲油性和水下超亲气性。


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    ▲ 图:飞秒激光烧蚀的PDMS表面显示超疏水,水下超亲油,以及水下超亲气性。再经氧等离子体处理后显示超亲水,水下超疏油,以及水下超疏气性。


    如果飞秒激光诱导的粗糙PDMS表面进一步经过短时间氧等离子体照射处理,在表面上会形成一层亲水的硅烷醇基(–SiOH)。加之微纳多级结构的作用,使得该PDMS表面的润湿性在空气中转变为超亲水性。当将该样品浸入水下时,水会完全润湿激光作用区域并且填充在粗糙微纳结构之间,形成一层被俘水层。此时银镜反光完全消失。当将油滴或气泡滴落在该样品表面上时,该微纳结构间的被俘水层可以抑制油滴/气泡与PDMS表面的有效接触。这主要由于极性的水分子常常排斥非极性的油分子,同时水相与气相间也存在着排斥作用。最终使得油滴和气泡在该PDMS样品上保持近似球形,达到内能最小。当将样品稍微倾斜,油滴和气泡会很容易滚走。此时,样品表面显示水下超疏油性和水下超疏气性。


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    ▲ 图:超疏水PDMS表面在水下呈现超亲油和超亲气性的形成机理,以及超亲水PDMS表面在水下呈现超疏油和超疏气性的形成机理。


    在同一个样品上构建润湿性相反的不同区域有许多重要的应用。飞秒激光最初烧蚀的PDMS表面具有超疏水性,水下超亲油性和水下超亲气性。而进一步经氧等离子体处理后使其具有超亲水性,水下超疏油和水下超疏气性。这种润湿性转变为研究者们提供了一种构建复合润湿性图案结构的简单方法。由于氧等离子体具有流动性,因而不能使用传统的光学掩膜板来选择性处理PDMS表面上不同的区域。作者联想到白板笔在白板上书写文字并且可以随时擦去的过程,提出了一种在激光烧蚀后的PDMS表面上“绘制”超疏/亲液(气)复合图案的方案。首先将不需氧等离子处理的区域用笔涂画黑。然后将样品进行短时间氧等离子体处理。油性涂料阻隔了氧等离子体与其下面粗糙PDMS结构的接触,使得氧等离子体只能够处理未绘涂区域。最后将样品在丙酮溶液中清洗去除油墨,并且快速吹干。这样,通过选择性氧等离子体处理,可以在飞秒激光烧蚀后的PDMS表面上获得超疏水-超亲水,水下超疏油-超亲油,水下超疏气-超亲气复合图案,同时集聚六种极端润湿性。该方法可以任意构建不同形状的复合润湿性图案。


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    ▲ 图:在飞秒激光烧蚀的PDMS表面上通过选择性氧等离子体处理获得超疏水-超亲水,水下超疏油-超亲油,水下超疏气-超亲气复合图案结构。


    氧等离子体处理后的PDMS表面在空气中会逐渐恢复其最初的超疏水性。研究发现,将样品储存在去离子水下可以长时间保持其超亲水性。另一方面,多次氧等离子体处理可使其“老化”,使该PDMS表面更长久拥有超亲水性。作者所所提出方法可以随意设计不同复合润湿性图案结构,并可潜在直接应用于液滴/液体图案化、表面微流体系统、细胞图案化、液晶图案化等实际应用中。


    参考文献:


    J. Yong, F. Chen*, M.Li, Q. Yang*, Y. Fang, J. Huo and X. Hou, Remarkably Simple Achievement of Superhydrophobicity,Superhydrophilicity, Underwater Superoleophobicity, Underwater Superoleophilicity,Underwater superaerophobicity, and Underwater Superaerophilicity on FemtosecondLaser Ablated PDMS Surfaces. J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25249-25257.


    文章链接:


    http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c7ta07528f

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 西安交通大学, 陈烽教授团队, 物质形态, 极端润湿特性

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