ACS Nano：形状记忆微/纳米结构超疏水表面及其在可擦写液滴储存方面的应用

【引言】

由于智能超疏水表面在自清洁、可控油/水分离、细胞捕获/释放和抗生物粘附等方面的广泛应用而在过去几十年间成为研究热点。通常，通过将响应基团修饰到具有层次性微/纳米结构的基材上得到该种智能材料。在光、热和pH等外部刺激下，它可以呈现不同润湿性能，如超疏水/超亲水和高/低粘附性之间的可逆转变。但是，所有这些性能变化都依赖于表面化学结构的改变，仅仅是提供被动的功能，而表面微观结构并未改变。实际上，表面微观结构可以赋予材料许多特殊性能，如定向粘附，水收集和水定向传播等，而这些特性是改变表面化学结构所不具备的。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学成中军教授(通讯作者)和刘宇艳教授(通讯作者)等人以双酚A型二缩水甘油醚环氧树脂(DGEBA)，间苯二甲胺(MXDA)和辛胺(OA)为主要原料，在基材表面固化制备得到形状记忆微/纳米结构超疏水材料。该材料表面具有微米级立柱，同时分布有纳米级凸起结构。当立柱为直立状态时，水滴为Cassie状态，水仅仅与立柱表面纳米结构接触，在微/纳米结构立柱间存在大量空气，材料呈现低粘附超疏水性能。通过加热并在材料表面施加压力，冷却后立柱呈现坍塌状，材料转变为高粘附疏水性。由于材料具有形状记忆功能，再次加热后，表面结构可恢复至原貌，再次变为低粘附超疏水表面，这种可逆转变可以达到50次以上。此外，由于表面微/纳米结构及其记忆性能，可以设计可擦写微观图案用于液滴储存，克服了现有报道中不可重复再设计的缺点。

【图文简介】

图1：材料表面微/纳米结构示意图和按压/恢复过程

a) 表面微/纳米结构形变和恢复过程示意图；

b)和c) 3D共聚焦显微镜图像和微/纳米结构相关曲线；

d) 立柱顶部AFM图像；

e)和f) 3D共聚焦显微镜图像和表面塌陷相应图片；

g)和h) 3D共聚焦显微镜图像和表面恢复的相应图片；

i) 经过连续按压/恢复后立柱的平均高度，表面立柱可以可逆恢复。

图2：在约40°的倾斜角度观察到的不同表面形貌的SEM图像

a)-c) 分别为所制备的材料表面形貌，立柱坍塌和立柱恢复的图像；

d)-f) 分别对应a)，b)和c)的放大图像，插图是相应表面上水滴的形状。

图3：分子链构象和液滴浸润模型示意图，以及不同状态下横截面SEM图像

a) 所制备材料表面含有大量交联网络，且分子链构象具有最高熵；

b) 加热至Tg以上并按压表面，交联网络抑制了大范围的链滑移，导致低熵的链构象形成；

c) 在a)状态下表面结构，插图显示空气可以存在于液滴下方形成低粘附Cassie状态；

d) 表面立柱坍塌的图像，插图表示多级结构的破坏形成较大的固/液接触面积，导致材料疏水性降低。

图4：所制备的表面作为可擦写平台用于液滴存储

a) 以约40°的倾斜角度观察到的具有微坑的材料表面SEM图像；

b) 将材料表面翻面朝下，在微坑位置的水滴仍可固定，表明材料高粘附超疏水；

c)-h) 液滴在垂直表面上呈现“H”，“I”，“T”，“A”，“C”和“S”，表明材料表面具有可擦写性能。

【小结】

该研究团队制备了具有形状记忆微/纳米结构超疏水材料。通过改变表面微观形貌实现浸润性的控制，同时利用其形状记忆功能达到可逆的目的。这种形状记忆分层结构超疏水材料在生物传感器，微液滴传输和化学微反应器等具有潜在应用。

文献链接：Superhydrophobic Surface With Shape Memory Micro/Nanostructure and Its Application in Rewritable Chip for Droplet Storage (ACS nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04257)

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