Nature Chemistry:水滴滑动的奥妙绝非传统认识的那般！

金爵 6个月前 (11-04) 1447浏览

一、【导读】

       微流体到传热等技术设计低摩擦表面，是近年来仿生学研究领域中极具潜力的课题。传统的传热技术在高速流体中常常会面临摩擦阻力大、能量损失多的问题，而微流体技术则通过调控微观流动特性，实现了低摩擦表面的设计。通过微流体技术，流体在微观尺度上的流动变得更加平滑，流体与表面的接触面积减小，从而大大降低了摩擦阻力。同时，微流体技术还可以通过调控流体的温度、压力等参数，实现对传热过程的精确控制。这一技术的应用潜力广泛，可以应用于各种领域，如航空航天、化工、能源等，为传热领域带来全新的突破和进展。未来，微流体到传热等技术设计低摩擦表面有望成为传热领域的重要研究方向，为提高传热效率、降低能量消耗做出更大的贡献。

二、【成果掠影】

       固体表面和水之间的摩擦在日常生活中以多种方式存在。普通窗玻璃和玫瑰花瓣等表面具有高摩擦力，导致液滴甚至粘附在垂直表面上。其他表面，如荷叶和特氟隆涂层的厨房用具，具有低摩擦力，即使在很小的倾斜角度下，液滴也可以滑落。对于自清洁、防结冰、微流体和传热等应用，后一种光滑特性是高度追求的。

       摩擦力决定了液滴是从固体表面滑落还是粘附在固体表面上，表面不均匀性是液滴接触角滞后和接触线摩擦力增大的主要原因。近日，芬兰埃斯波阿尔托大学Robin Ras教授团队，通过调节自组装单分子膜（SAMs）的覆盖度，水接触角从约10°逐渐变化到110°，而对于低覆盖度的亲水性SAMs以及高覆盖度的疏水性SAMs，接触角滞后和接触线摩擦都很低。基于SAM的实质性化学异质性，其特征在于基底的未涂覆区域远超过金属反应物探测的水分子的尺寸，因此预期它们不会光滑。根据分子动力学模拟，低覆盖度和高覆盖度自组装膜的低摩擦源自于界面水分子的流动性。这些发现揭示了一种未知的和违反直觉的光滑机制，为提高液滴的流动性开辟了新的途径。该成果以标题为：“Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale”，发表在Nature Chemistry上。

三、【核心创新点】

  1. 系统地量化分子尺度的化学异质性如何影响CAH和液滴CLF
  2. 亲水性低覆盖率SAM具有低CLF是新发现，且本文进行了分子动力学（MD）模拟以更好地理解SAM结构和液滴摩擦机制。这些发现有助于改善受益于低CLF的防水涂料的性能
  3. 通过最小化纳米结构超疏水表面的化学异质性来实现创纪录的低CLF

四、【数据概览】

图1 通过用OTS SAM调节表面疏水性来控制CLF ©2023 The Authors

图2 从稀疏到密集涂覆的OTS SAM  ©2023 The Authors

图3 用金属化合物标记SAM OH空位以探测分子长度尺度上的化学不均匀性 ©2023 The Authors

图4  SAM润湿性能 ©2023 The Authors

 

图5. MD模拟显示SAM表面上水滴运动的不同机制。©2023 The Authors

图6. OTS SAM涂覆的纳米结构bSi表面上的CLF ©2023 The Authors

 

五、【成果启示】

       本文探讨了分子尺度的表面异质性如何影响水接触角滞后（CAH）和接触线摩擦（CLF）。通过调整覆盖的自组装膜上生长的二氧化硅表面，导致表面具有不同程度的分子异质性。低CLF观察到低和高覆盖SAM与之间的较高摩擦的制度，这是符合每个覆盖制度的异质性水平。然而，对水具有高粘附性的亲水性低覆盖度SAM仍然可以产生低CLF。根据MD模拟，界面水层没有被完全限制，并作为液滴的润滑层，解释了低CLF。当SAM覆盖率增加时，该层逐渐变得更加受限，并且润滑效应切换到锚定效应，解释了增加的摩擦。在高SAM覆盖率下，锚定效应消失，因为SAM变得足够致密以阻止水渗透通过SAM到达剩余的表面OH空位。即使高覆盖率SAM具有比水分子的尺寸大得多的空腔，如通过与金属反应物的反应所证明，水分子仅少量地穿过这些空腔以接触下面的亲水性基底上的OH空位，从而保持低摩擦。总之，这些发现为分子水平的异质性如何影响CAH和CLF提供了新的见解，从而有助于为从微流体到传热等技术设计低摩擦表面。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01346-3

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