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中科院江雷及團隊提出鋪展概念及其表征方法
來源:中國科學院理化技術研究所 瀏覽 1902 次 發(fā)布時間:2022-06-20
近日,中國科學院院士、中科院理化技術研究所研究員江雷和研究員田野團隊在Accounts of Chemical Research上,以Bioinspired superspreading surfaces:from essential mechanism to application為題,發(fā)表綜述論文,系統(tǒng)提出了超鋪展概念及其表征方法,綜述了超鋪展表面的本質機理及研究進展,總結了超鋪展的應用領域,展望了領域內遺留的重大挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。
根據1805年提出的楊氏方程,熱力學穩(wěn)態(tài)接觸角被廣泛用于表征表面浸潤性,并根據其定義宏觀穩(wěn)態(tài)接觸角小于5°的表面為超親液表面。但該表征方法在描述液體的動力學鋪展過程時,顯示出較大局限性。
江雷團隊過去已經對液體動態(tài)鋪展過程進行了研究,并將其應用于薄膜制備、分離、散熱等領域。研究中發(fā)現(xiàn),表面的性質主要由液體的動力學動態(tài)鋪展速度主導,而不是熱力學上的超親性。在此基礎上,該綜述正式提出,在描述液體動力學鋪展過程時,應該使用超鋪展(Superspreading)這一概念,而不是經典的超親液概念(Superhydrophilic/Superlyophilic),并建議使用超鋪展時間(Superspreading time,ST,一滴液滴從接觸表面到完全鋪展至接觸角達到0°所需要的時間)或者鋪展半徑隨時間變化曲線(Superspreading Radius versus Spreading Time,SRST)來定量表征這些表面的動力學鋪展性質。科研人員傾向于使用體積為2μL的液滴,此時液體的尺寸小于其毛細長度,其主要動力學行為受表面張力驅動而忽略重力的影響。
文章介紹了經過億萬年進化后自然界中選擇留下的各種優(yōu)異超鋪展表面,包括動物角膜、宣紙等。自然界中超鋪展表面的優(yōu)異性能直接決定了其正常作用的發(fā)揮甚至其生理功能。這些自然表面均使用了微納復合的多尺度結構來實現(xiàn)超鋪展性能;從分子尺度的表面自組裝水分子結構引起的新的親疏水界線(65°)到納米結構和微觀結構在超鋪展過程中的宏觀各自作用,綜述了超鋪展本質機理研究的最新進展;進一步總結了常用的超鋪展表面制備方法、介紹了超鋪展表面的應用領域,提出了超鋪展體系,總結了該領域存在的挑戰(zhàn)。
超鋪展領域的研究處于起步階段,盡管近年來取得了快速發(fā)展,但仍存在大量問題:機理方面,表面水分子的結構與傳統(tǒng)熱力學中使用的固-氣、固-液表面張力的聯(lián)系仍十分模糊;如何從動力學角度理解納米結構對超鋪展閾值的影響成為難題。應用方面,超鋪展表面的長期穩(wěn)定性仍成為瓶頸,尤其對于暴露在空氣中的表面;大面積超鋪展表面的制備成本較高,限制了其大規(guī)模應用。
圖1.超鋪展概念總覽
圖2.自然界中的超鋪展表面
圖3.超鋪展體系
圖4.新的親疏水界線
圖5.納米結構在超鋪展中的作用
圖6.微米結構在超鋪展中的作用
圖7.超鋪展表面用于薄膜制備