無縫銅管化驗機構(gòu)-廣東分析檢測中心

  出淤泥而不染的荷葉，捕蟲高手豬籠草，科學(xué)家們研究仿生，利用自然界賦予的神奇功效為人類服務(wù)。然而，仿生“荷葉”和“豬籠草”卻有一顆“玻璃心”，一旦受到外界觸碰，“自清潔”功能也隨即消失。

  “我們要做可以應(yīng)用的硅基仿生自清潔材料?！敝锌圃禾m州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用研究重點實驗室張俊平研究員對記者說。

  機械穩(wěn)定性差，仿生材料難應(yīng)用

  “出淤泥而不染，濯清漣而不妖?！比藗兒茉缇椭篮扇~表面有“自清潔”效應(yīng)。其實，天鵝羽毛、北極熊皮毛也具有類似功能。另外，豬籠草捕蟲籠口部具有超滑作用，從而能夠捕獲昆蟲。近年來，仿荷葉超疏水涂層、超雙疏（超疏水且超疏油）涂層及仿豬籠草超滑涂層等特殊潤濕性涂層、材料受到較高關(guān)注。它們可以用來防污染、防腐、防雪、防結(jié)冰以及流體減阻等，在人們的日常生活中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

  科學(xué)家們研發(fā)的仿生自清潔材料可以成功模擬荷葉的超疏水，豬籠草的超滑。然而，大多數(shù)研究成果卻只能停留在實驗室。

  “不能碰，摸一下就失去功能?！睆埧∑秸f，機械穩(wěn)定性差、制備方法復(fù)雜、昂貴，低表面能液體易粘附和基底材料性質(zhì)依賴性強等問題，成為仿生自清潔材料實際應(yīng)用的瓶頸因素。

  源于自然，高于自然，實現(xiàn)穩(wěn)定超疏水

  “我們要做可以應(yīng)用的仿生自清潔材料?！北贾@個目標，從2009年，張俊平團隊開始研究硅基仿生超疏水、超雙疏材料。

  研究小組首先通過有機硅納米線的可控生長，可在各種表面上（玻璃、硅片、紡織品、木材、塑料、鋁合金等）形成超疏水、超雙疏涂層，但穩(wěn)定性不高。另外，研究小組還嘗試采用有機硅納米線制備了仿豬籠草超滑涂層，具有機械穩(wěn)定性高和自修復(fù)的特點。然而，仿荷葉超雙疏涂層與仿豬籠草超滑涂層在液體運動速度和自清潔性方面有顯著區(qū)別，仿豬籠草涂層的液膜容易受到污染，且易揮發(fā)。液膜揮發(fā)會導(dǎo)致其喪失自清潔性，制約實際應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進功能材料》等雜志上。

  針對超疏水材料機械穩(wěn)定性差的問題，2013年，研究小組從粗糙基底入手，采用浸涂法制備出了無氟硅基穩(wěn)定超疏水織物（如聚酯、棉、羊毛、絲綢等），具有優(yōu)異的耐摩擦、耐機洗和耐干洗性能，可應(yīng)用于服裝、包等戶外用品。在此基礎(chǔ)上，通過與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結(jié)合，制備了磁性油水分離海綿、光催化油水分離材料和自清潔抗生物粘附材料等。相關(guān)研究成果發(fā)表在《化學(xué)通訊》等雜志上。

  在上述工作基礎(chǔ)上，研究小組通過在硅烷聚合反應(yīng)過程中引入碳納米管等纖維狀納米材料，合成了一系列新型硅烷聚合物納米復(fù)合材料，成功地在多種基底材料上制備了穩(wěn)定超疏水涂層，涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的機械、化學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性和一定的自修復(fù)性。

  凹凸棒石，讓仿生材料更環(huán)保

  一個個難關(guān)的攻克，讓團隊有信心向更高目標發(fā)起沖刺——“綠色”穩(wěn)定超疏水、超雙疏涂層。“以往制備涂層都使用合成納米材料，不僅價格昂貴，還會污染環(huán)境?！睆埧∑秸f，為什么不用天然納米材料制備仿生自清潔涂層呢？

  2013年，研究小組采用凹凸棒石等天然納米材料，合成了穩(wěn)定超疏水涂層。凹凸棒石是一種含水富鎂鋁的硅酸鹽黏土礦物，是一種天然的一維納米材料。凹凸棒石在我國儲量巨大，集中于甘肅臨澤、江蘇盱眙等地。隨著研究的深入，另一個問題擺在面前。當(dāng)超疏水涂層遇到油或其他有機物，涂層會失效。2016年，研究小組采用凹凸棒石制備了穩(wěn)定超雙疏涂層，具有優(yōu)異的超雙疏性能、超疏熱液體性能和綜合穩(wěn)定性及較好的自修復(fù)性。研究表明，凹凸棒石在構(gòu)筑超疏水、超雙疏涂層方面優(yōu)于膨潤土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎(chǔ)上，拓展了其在藥物控釋和液體彈珠等領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)了空氣層調(diào)控的藥物控釋和不同表面能液體彈珠的可控制備。此外，通過控制硅烷在凹凸棒石表面的水解縮合反應(yīng)，制備了水性超疏水涂層，也具有優(yōu)異的綜合性能。

  瑪雅藍是一種具有艷麗色彩的有機—無機復(fù)合顏料，由凹凸棒石和一種來自植物的靛藍分子復(fù)合而成，古代瑪雅人將其廣泛應(yīng)用于壁畫、陶器和雕刻中。瑪雅藍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，長年累月的氣溫變化和潮濕的空氣也無法使它褪色。在前期類瑪雅藍顏料和仿生自清潔涂層的研究基礎(chǔ)上，研究人員將類瑪雅藍顏料與超疏水、超雙疏涂層相結(jié)合，制備了色彩豐富的自清潔類瑪雅藍顏料和涂層。超疏水、超雙疏涂層的引入，顯著提高了類瑪雅藍顏料的穩(wěn)定性，并賦予其自清潔性能，可應(yīng)用于耐久性涂料或文物修復(fù)。

  目前，團隊還制備出超疏水、超雙疏硅基3D泡沫材料，它獨特的3D多孔結(jié)構(gòu)在過濾、油水分離、污染物分離等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

  上述研究工作得到了中科院“百人計劃”、自然科學(xué)基金項目的資助。