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中科院理化所王樹濤、孟靖昕研究員團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：受潛水蜘蛛啟發(fā)，利用補(bǔ)氣策略實(shí)現(xiàn)納米纖維涂層的長(zhǎng)效抗垢
2023-01-24  來源：高分子科技

  超疏水表面(一般是水下超親氣表面)，在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，如物質(zhì)運(yùn)輸、耐磨損、電化學(xué)反應(yīng)、膜淡化以及防污等。其中，超疏水表面存儲(chǔ)的空氣以不同的方式發(fā)揮著關(guān)鍵作用: 主動(dòng)參與和被動(dòng)防護(hù)。例如，氧氣可作為參與者，使三相電極具有較高的酶檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性。相比之下，氣膜也可作為防護(hù)層阻擋固體基底與鹽溶液的直接接觸，展示出優(yōu)異的抗結(jié)垢性能。然而，存儲(chǔ)的空氣常常會(huì)在劇烈的水下條件（如高溫、高流速）逐漸消失，使得這些超疏水材料的抗結(jié)垢能力只能保持較短的時(shí)間。因此，為延長(zhǎng)超疏水材料特殊功能和使用壽命，急需尋找穩(wěn)定水下氣膜的策略和方法。


  潛水蜘蛛是一種獨(dú)特的動(dòng)物，它通常會(huì)在水生植物中織網(wǎng)形成儲(chǔ)存氣體的潛水鐘，用于進(jìn)行長(zhǎng)期的水下呼吸。在嚴(yán)重缺氧的水中，潛水鐘內(nèi)的空氣仍需周期性的從外部環(huán)境中補(bǔ)充（圖1a）。近日，中科院理化技術(shù)研究所王樹濤、孟靖昕研究員團(tuán)隊(duì)，受潛水蜘蛛補(bǔ)氣過程啟發(fā)，制備了一種具有水下超親氣的仿生納米纖維涂層（圖1b），該涂層展示了長(zhǎng)達(dá)30天的動(dòng)態(tài)高效抗垢能力（約98%）。由于外界惡劣環(huán)境會(huì)加速空氣交換，涂層上的氣膜不可避免地會(huì)流失。因此通過在適當(dāng)?shù)臈l件下補(bǔ)充空氣，氣膜可以作為抑制界面成核和結(jié)垢的穩(wěn)定屏障，表現(xiàn)出高效、持續(xù)的阻垢能力。因此，這種空氣補(bǔ)充策略可能為長(zhǎng)期防垢材料提供新的途徑。該研究以“Water Spider-Inspired Nanofiber Coating with Sustainable Scale Repellency via Air-Replenishing Strategy”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》上（doi.org/10.1002/adma.202209796） 


圖1：受水蜘蛛啟發(fā)的納米纖維涂層具有良好的可持續(xù)防垢性能 


圖2.氣泡在基底上的三種浸潤(rùn)狀態(tài)：全覆蓋、部分覆蓋和較少覆蓋 


圖3. 流速對(duì)水下氣膜穩(wěn)定性的影響


  由于外界因素（流速、溫度）的影響，基底上的氣膜展示出了不同浸潤(rùn)狀態(tài)（圖2）。其中，隨著水下浸沒時(shí)間的增加，涂層表面氣膜會(huì)經(jīng)歷三種浸潤(rùn)狀態(tài)：從全覆蓋、部分覆蓋到較少覆蓋的逐漸損失。作者利用浸潤(rùn)性、粘附力和熒光分別表征了這三種狀態(tài)。結(jié)果表明在適當(dāng)?shù)臈l件下補(bǔ)充空氣，可以保持納米纖維涂層上氣膜的穩(wěn)定性。利用空氣在水下獨(dú)特的折射率，作者定性地表征了水下氣層的穩(wěn)定性。結(jié)果表明隨著流速的增加，氣層損失越快。根據(jù)臨界反射率，得到了不同流速下補(bǔ)氣的間隔時(shí)間。進(jìn)一步地，根據(jù)合適的補(bǔ)氣間隔和體積，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下氣層的穩(wěn)定（圖3）。 


圖4. 氣膜介導(dǎo)的涂層的抗垢機(jī)理：提高成核能壘，抑制界面成核，降低界面黏附


  當(dāng)基底處于礦物溶液中，會(huì)發(fā)生兩種現(xiàn)象：界面成核和界面粘附。作者通過理論計(jì)算說明了氣膜的存在會(huì)提高成核的能壘，抑制晶體異相成核，并能降低水垢與基底的粘附（圖4）。 


圖5. 氣膜介導(dǎo)的涂層具有良好的抗垢性能以及對(duì)于不同基底、不同無機(jī)垢的普適性


  通過補(bǔ)氣策略穩(wěn)定氣層，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期高效的動(dòng)態(tài)抗垢性能。經(jīng)過30天動(dòng)態(tài)結(jié)垢試驗(yàn)，穩(wěn)定氣膜的涂層上CaCO3垢沉積的質(zhì)量?jī)H為約0.57±0.04 mg/cm2，遠(yuǎn)低于氣膜逐漸消失的涂層（34.78±2.88 mg/cm2）和原始PVC涂層（56.63±2.36 mg/cm2）。同時(shí)，對(duì)于不同基底、不同類型的水垢，該策略均能實(shí)現(xiàn)良好的抗垢效果，說明該策略具有普適性。綜合近年來報(bào)道的氣膜介導(dǎo)的抗垢研究，穩(wěn)定氣膜的涂層具有高效的抗垢性能（約98%）和較長(zhǎng)的使用壽命（30天）。這些結(jié)果表明，受水蜘蛛啟發(fā)的納米纖維涂層提供了一種持久和通用的防垢策略（圖5）。


  該論文第一作者為中科院理化所博士生王儀萱，通訊作者為中科院理化技術(shù)研究所的王樹濤、孟靖昕研究員。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202209796

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