自修复仿生涂层几乎排斥所有液体

2011-9-26 11:03 来源: 中国科学院
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  美国物理学家组织网近日报道,哈佛大学应用科学家仿照猪笼草的疏水策略,开发出了一种极为光滑的涂层材料,几乎能排斥包括血液、油在内的任何液体,甚至在高压、冰冻等极端环境条件下,仍能保持排斥液体或固体的能力。这种仿生疏流技术在生物医学流体处理、燃料运输、防污、防冻等方面有着广泛应用,甚至有望带来一种能自动清洁的窗户和改良型光学设备。该研究发表在近期《自然》杂志上。

  猪笼草是一种叶子像水杯的食虫植物,尤其在雨后,其叶子表面会变得几乎无摩擦,散发出甜味,吸引蚂蚁、蜘蛛、甚至小青蛙。猪笼草的疏水策略与其他植物完全不同,它能在顶部形成一件光滑的外衣,把液体本身变成了疏水面。受其启发,研究人员将一种润滑液注入具有纳米微结构的透气性材料中,制成了这种名为“SLIPS”的疏水表面,意为“灌注液体的光滑透气表面”。

  “我们开发的新型涂层材料胜过天然和人工的同类产品,为固液间排斥问题提供了一种简单而多用途的解决方案。”论文首要作者、哈佛大学工程与应用科学院的乔安娜·艾森伯格解释说,目前的其他疏水面,如仿荷叶效应疏水,利用的是表面特殊纹理结构,使水滴聚集滑落,但荷叶效应对一些有机物或复杂液体无效,表面刮擦后或在极端条件下,液体反而会黏附或沉积在上面,而且这种疏水面难以制作,成本很高。

  “SLIPS就像猪笼草那样,不仅能滑倒昆虫,还能排斥多种液体和固体,几乎毫无阻滞,极轻微的倾斜都会让液体或固体从它表面上滑下来。”艾森伯格说。他们用蚂蚁做了多次实验,发现蚂蚁会从上面滑落,或刚爬几步就赶紧退回地面。

  论文首要作者、艾森伯格实验室博士后王德成(Tak-Sing Wong)说:“由于SLIPS非常光滑,即使用刀子刮坏一部分,也能立即自行修复,修复后仍保持疏流性能,这让它能作为一种自动愈合材料。如果制成光学透镜,也是一种理想的自动清洁设备。”

  此外,它在高压(675个大气压,相当于海平面以下7000米)、潮湿、低温等极端条件下也能保持这种几乎无摩擦的特性。研究小组在一次暴风雪之后进行了实验,发现它在严寒中还能排斥冰。艾森伯格说:“SLIPS的稳定性和独特的自愈能力,让它几乎能胜任任何应用,如极地或深海探测,为严苛条件下的应用带来了广阔前景。”

  “我们的仿生表面不仅能在各种环境下发挥作用,而且成本低、制造简单。”论文合著者、艾森伯格实验室博士生姜成勋(Sung Hoon Kang)说,“它还能改进升级,因为你可以选择任何种类的透气材料和多种润滑剂。”

  目前,研究人员正在为这种仿猪笼草技术申请专利。他们预计,该技术将来可用于运输燃料和水的管道、医用导管(如导尿管和输血系统)、自动清洁窗、无菌无垢表面等,还可进一步开发出排斥冰的材料,以及不留指纹或乱画痕迹的抗粘表面等。