【表面功能化】青岛理工大学刘长松教授团队：仿生混合润湿图案表面的制备及其水收集性能
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2024-09-13 17:01
重庆
淡水是人类生存不可或缺的资源，但由于水资源分布不均、肆意浪费和污染加剧，现在全球正在面临着严重的水资源短缺问题，尤其是非洲、亚洲和拉丁美洲的农村地区严重缺乏清洁水源。雾水是一种可获取和广泛分布的资源，主要以蒸汽和水滴的形式存在。为了应对这一严峻的挑战，雾水收集作为缓解水资源匮乏的一种途径引起了广泛的关注。受沙漠甲虫和叶脉的启发，青岛理工大学刘长松教授团队采用氨腐蚀法在铜网表面生长一层氢氧化铜纳米带，随后在氢氧化铜表面覆盖掩膜，使局部附着正十二烷基硫醇分子，制备出仿生混合润湿图案表面。与沙漠甲虫表面不同的是本样品的图案是由分布在亲水表面一系列疏水图形组成的，为后续水收集实验提供了基础，在水收集过程中，收集到的水滴被疏水区域拦截，然后在垂直条纹叶脉状路径亲水区域中汇合，随着水收集时间的推移，形成叶脉状亲水膜，减少了水滴运输、汇集、滴落的时间。通过模拟大气中的大气雾流，研究了各样品的水雾收集能力，混合润湿性图案化的表面与单一润湿性表面相比水收集速率得到了提升，最高可达146%。样品表面制备过程成本低、操作简单、能耗小，有望为缓解干旱地区水资源缺乏问题提供新思路。图1为实验反应原理图。氢氧化铜纳米结构的形成过程为：在碱性环境下发生氧化缩聚反应，强氧化剂过二硫酸铵将铜迅速氧化为Cu2+；随后在强碱条件下，Cu2+与4个OH−络合形成沿(100)方向链状正方形平面协调结构，该链条结构可以通过OH−在Cu2+(010)方向上的配位相连接形成二维结构，最终，二维氢氧化铜结构通过相对较弱的氢键相互作用，堆积形成三维晶粒生成氢氧化铜，如图1A过程所示。正十二烷基硫醇分子中的—S—H基团与氢氧化铜表面的—OH基团发生脱水反应生成Cu-S，使整个碳链分子与基体结合，如图1B过程所示。![]()
图2为仿生混合润湿图案表面的SEM图像。图2a是经过氨腐蚀法后得到的亲水区域SEM图，亲水区域表面被一层三维粗糙结构的氢氧化铜纳米带覆盖。氢氧化铜纳米带直径为100~300
nm，长度为4~5 μm，并且表面生长均匀，大小统一，主要以尖端杂草状为主。在经过正十二烷基硫醇的乙醇溶液改性后，氢氧化铜与正十二烷基硫醇的巯基发生脱水缩合反应，消耗了氢氧化铜亲水表面中的亲水基团—OH，润湿性也因此实现了由亲水向超疏水的转变，反应完后正十二烷硫醇覆盖在氢氧化铜表面，表面形貌也由尖端杂草状变成了圆端水草状，使表面成分发生了变化。![]()
图3为本文所设计的不同图案、尺寸和不同间隔水收集速率数据，即在水收集装备中单位时间单位面积所收集到水的质量。由上文可知，亲水表面和超疏水表面在集水过程中各有利弊，所以构建仿生混合润湿图案表面，并且改变表面中的图案直径尺寸、图案间隔和图案形状，分别对不同样品进行水收集实验，将一个容器作为对照数据，放置在无样品的集水系统中，容器中只收集到了可忽略不计的水，每0.5 h称一次容器的质量，由此误差在可控范围内。![]()
图4为混合润湿图案表面稳定性测试。大部分缺水的干旱地区都伴随着恶劣的环境，比如经常出现常年高温、紫外线比较强等情况，所以在实际应用中，在高温气候保持稳定和长期抗紫外线能力是保证水收集稳定的重要性能参数。从上文可知，直径为4 mm、间距为1 mm的样品水收集效果最好，所以探究该样品分别在100 ℃加热环境及紫外光照环境下每隔10 h水收集速率变化。![]()
1）通过氨腐蚀法制备亲水表面，随后用掩膜掩盖亲水表面，用正十二烷硫醇进行局部改性处理，实现了由亲水向超疏水的转变，制备出混合润湿图案表面。2）混合润湿图案化表面的水收集速率与单一润湿性表面相比，雾水收集速率得到了较大的提升；混合润湿图案化表面的水收集速率与图案尺寸、图案间隔成反比关系，与图案形状无关。3）混合润湿图案表面在恶劣环境中具有稳定水收集速率的特性，并且制造过程简单，成本低，有望能为解决干旱地区缺水问题提供新思路。引文格式：吴安琪, 刘长松, 纪学成, 等. 仿生混合润湿图案表面的制备及其水收集性能[J]. 表面技术, 2024, 53(14): 190-198.
WU
Anqi, LIU Changsong, JI Xuecheng, et al. Fabrication and Water Collection Performance of
Biomimetic Patterned Surface with Hybrid Wettability[J]. Surface Technology,
2024, 53(14): 190-198.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.018
