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    科研進展

    理化所系統提出“超鋪展”概念

    稿件來源:仿生中心 發布時間:2022-06-15

      近日,中科院理化所江雷院士、田野研究員團隊在Accounts of Chemical Research期刊以Bioinspired superspreading surfaces: from essential mechanism to application為題發表綜述論文,系統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及發展方向。 

      根據Thomas Young1805年提出的楊氏方程,熱力學穩態接觸角被廣泛用于表征表面浸潤性,并根據其定義宏觀穩態接觸角小于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,顯示出巨大的局限性。 

      江雷院士團隊之前已經對液體動態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。在這些研究中發現表面的性質主要由液體的動力學動態鋪展速度主導,而不是熱力學上的超親性。在此基礎上,在該綜述中正式提出,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。作者傾向于使用體積為2 μL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。 

         

    超鋪展概念總覽 

      文章首先介紹了經過億萬年進化后自然界中選擇留下的各種優異的超鋪展表面:動物角膜、宣紙等。這些自然界中的超鋪展表面的優異性能直接決定了其正常作用的發揮甚至其生理功能??偟膩砜?,這些自然表面都使用了微納復合的多尺度結構來實現優異的超鋪展性能。之后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,詳細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,最后總結了該領域存在的挑戰。 

      超鋪展領域的研究才剛剛開始,近年來盡管取得了快速的發展,但仍存在大量的瓶頸問題:機理方面,表面水分子的結構與傳統熱力學中使用的固-氣、固-液表面張力的聯系仍非常模糊;如何從動力學角度理解納米結構對超鋪展閾值的影響仍是一大難題。應用方面,超鋪展表面的長期穩定性仍是一大瓶頸,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也較高,限制了其大規模應用。 

      該文章通訊作者為中科院理化所田野研究員,第一作者為中科院理化所苗偉寧博士。 

      

    1 自然界中的超鋪展表面 

      

    2 超鋪展體系 

      

    3 新的親疏水界線 

      

    4 納米結構在超鋪展中的作用 

      

    5 微米結構在超鋪展中的作用 

      

    6 超鋪展表面用于薄膜制備 

      

    文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00042 

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