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電子科大鄧旭教授團隊在Nature發表封面論文

发布:2020年06月04日 12:10       作者:王卓      来源:学校新闻       点击:

  6月3日,Nature刊发了我校基础与前沿研究院邓旭教授团队最新研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”,并被选为当期封面。

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  該工作提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,通過在兩個結構尺度上分別進行最優設計,爲超疏水表面創造出具有優良機械穩定性的微結構铠甲,解決了超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。該工作第一作者爲我校基礎與前沿研究院博士生王德輝,基礎與前沿研究院鄧旭教授爲論文通訊作者,論文工作主要在我校完成。這是我校首次以第一單位在Nature上發表研究成果,標志著我校在材料表面科學研究域取得了重大突破。合作者還有我校物理學院陳龍泉教授和機械與電氣工程學院朱順鵬教授。

背景介紹

  仿生荷叶的超疏水材料由于其独特的固-液界面性质,在表面自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大的应用潜力,随之又发展出了一系列如超亲水、超疏油等超浸润系统理论。以江雷院士团队,David Quéré教授团队等为代表的国内外广大研究群体在固液界面材料研究领域建立了坚实的理论和应用基础,并取得了丰硕的研究成果[1-4]。

  一般情況下,材料表面實現超疏水性需要借助微/納米粗糙結構和低表面能截留空氣並托起液滴,實現Cassie-Baxter態的同時創造低的固-液接觸。然而,微/納米粗糙結構在機械載荷下會産生極高的局部壓強,使其易碎易磨損。此外,磨損會暴露底層材料,改變表面的局部化學性質使其從疏水性變成親水性,導致水滴釘紮。長期以來,人們認爲表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性,正所謂“魚和熊掌不可兼得”。因此,如何保證在擁有良好超疏水性能的同時,又能實現較強的機械穩定性,是當前超疏水材料面對實際應用亟待解決的關鍵難題[5]。

成果簡介


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微結構铠甲的設計(圖片來源Nature)

  通常,減少固-液接觸是增強表面超疏水性的常用手段,根據Cassie-Baxter方程,固-液接觸面積的減小,有利于提高表觀接觸角和降低滾動角。但由于接觸面積的降低,必然導致微/納結構承受更高的局部壓強,從而更易磨損,這就意味著超疏水性和機械穩定性在提高一種性能時必然導致另一種性能下降。該論文基于全新思路,首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,並提出微結構“铠甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結構設計原則,利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術將裝甲結構制備于矽片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面,與超疏水納米材料複合構建出具有優良機械穩定性的铠甲化超疏水表面。

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铠甲化超疏水表面展現出優秀的機械穩定性(圖片來源Nature)

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  該工作在集成高強度機械穩定性、耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時,還實現了玻璃铠甲化表面的高透光率,爲該表面應用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建築玻璃幕牆創造了必要條件。研究人員將該表面應用于太陽能電池蓋板,實現了表面依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式,爲少雨地區提供自清潔太陽能電池的解決方案。基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵、鳥類糞便等汙染,長期維持太陽能電池高效的能量轉換,並節省傳統清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。該論文創新的設計思路和通用的制造策略展示了铠甲化超疏表面非凡的應用潛力,必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。

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高透光率的玻璃铠甲化超疏水表面應用于自清潔太陽能電池板(圖片來源Nature)

  參考文獻:

  1.Lin Feng, Shuhong Li, Yingshun Li, Huanjun Li, Lingjuan Zhang, Jin Zhai,Yanlin Song, Biqian Liu, Lei Jiang, DaobenZhu.Super‐hydrophobic surfaces: from naturalto artificial.Advanced Materials, 14, 1857-1860 (2002)

  2.YongmeiZheng, HaoBai, Zhongbing Huang, XuelinTian, Fu-QiangNie, YongZhao, Jin Zhai, Lei Jiang.Directional water collection on wetted spidersilk.Nature, 463, 640-643 (2010)

  3.David Quéré. Wettingand roughness.Annual Review of Materials Research, 38, 71-99 (2008)

  4.Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui,Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng.Surfacecharge printing for programmed droplet transport. Nature Materials, 18, 936-941(2019)

  5.XuelinTian, TuukkaVerho, Robin HA Ras. Moving superhydrophobic surfacestoward real-world applications.Science, 352, 142-143(2011)

  課題組介紹:

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  邓旭,电子科技大学基础与前沿研究院教授,材料表面科学研究中心、德国马普学会伙伴小组联合实验室负责人,主要研究领域为材料表面科学、物理化学、仿生工程等。已在Science, Nature, Nature Materials, NatureCommunications, Physical Review Letter, AngewandteChemie International Edition,Advanced Materials等国际著名期刊上发表文章60余篇,并被Nature,Nature Nanotechnology,Nature Physics,MIT Technology Review等国际知名学术媒体多次专题报道。作为主要发明人获得欧洲发明专利3项,美国发明专利2项,中国发明专利5项。荣获国家青年人才、四川省学科技术带头人(2019)、国际仿生学会青年委员(2019)、中国化学会仿生材料化学委员会委员(2019)、中国十大科技新锐人物(2019),中国化学会首届菁青化学新锐奖(2019)。

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  王德辉,电子科技大学基础与前沿研究院2016级博士研究生,以第一作者或合作者在Nature, Nature Materials, Advanced Materials, Soft Matter等国际著名杂志发表文章10余篇,被引260余次。其中,以第一作者发表在Nature的研究论文被选为封面报道。申请国家发明专利10余件,授权7件。

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  課題組網址:

  http://www.ccsi.uestc.edu.cn/

  相關信息:

  Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin,Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou,Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng. Design of robustsuperhydrophobic surfaces.Nature, 582, 55-59 (2020)

  論文DOI:10.1038/s41586-020-2331-8

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2331-8

 

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