Adv. Mater. 北航：受柱狀珍珠層啟發的水下抗油性材料

【引言】

石油污染而導致的意外漏油及工業廢棄物已經成為一個嚴重的環境問題，特別是在海洋生態系統。因而低膠粘性，超疏油性水下材料的研發已經成為相關領域主題，并應用于油/水分離，防污表面，和微流體液滴的控制等方向。于是，我們需要一種用于制備防油性材料的新方法來實現持久的超疏油性。

【成果簡介】

目前，水下疏油性材料主要通過引入高表面能的材料制備，如聚合物水凝膠和金屬氧化物。盡管這些策略有取得了相當大的水下疏油性，但低穩定性大大限制了這些涂層材料的實際應用。例如，由于其強度低，表面水凝膠的結構特別容易受到外部機械力損壞，而硬質金屬氧化物在復雜環境下的海水中易化學腐蝕。因此，我們需要一種用于制備防油性材料的新方法來實現持久的超疏油性。珍珠貝殼內層具有優異的機械性能，在海洋環境中的具有較高強度和化學穩定性。

受天然柱狀珍珠層啟發，北京航空航天大學化學與環境學院的衡利蘋和王建鋒（共同通訊作者）等人成功研發并構造層狀蒙脫土/羥乙基纖維素(MMT/HEC)人工似珍珠層狀材料，結構表面為凸六邊形。相比于自然的柱狀珍珠層，柱形似珍珠層狀材料的微觀結構賦予材料以優良的力學性能，以及超低水下油粘附性(相比于各種油小于3.5 μN)。即使經歷長時間浸沒在海水中，強烈的砂粒撞擊和大的外力作用于油滴，人工珍珠層狀材料仍然保持超低油粘附性。這些發現為設計水下抗油性材料提供了新見解，為將疏油性材料應用于實際提供了理論基礎。

【圖文簡介】

圖1：內層的鮑魚殼自然柱狀珍珠層的結構和水下超疏油性

(a) 整個鮑魚殼；(b) 側視珍珠層內部的SEM圖像，顯示一個分層結構；(c,d) 珍珠層內部SEM圖像頂視圖，微觀納米尺度顯示凸六邊形排列；(e) 水下油滴的紅色標記區域圖片，接觸角156.8±0.9°；(f) 水下油滴的紅色標記區域力距離曲線，沒有顯示附著力。檢測油為1,2-氯乙烷。

圖2：人工柱形似珍珠層狀材料的典型結構和水下疏油性

(a、b) 側視SEM圖像顯示分層結構。箭頭表示特定的位點取向；(c,d) 珍珠層內部SEM圖像頂視圖，微觀納米尺度顯示凸六邊形排列；(e) 一個水下油滴在人工柱狀珍珠母上的照片，接觸角為168.3±2.8°；(f) 水下油滴的紅色標記區域力距離曲線，沒有顯示附著力。檢測油為1,2-氯乙烷。

圖3：各樣品拉伸應力-應變曲線圖

(a) HEC的拉伸應力-應變曲線(曲線1)，交聯羥乙基纖維素(曲線2)，無交聯MMT / HEC (曲線3)，MMT / HEC人工柱狀珍珠層(曲線4)，和天然珍珠層(曲線5)；

(b) 油接觸角(OCA)和附著力與海水浸泡時間關系圖，顯示穩定的水下疏油性和低附著力。圓和三角形代表自然的柱狀珍珠層的區域，沒有柱狀地形。檢測油1,2-氯乙烷。插圖為人工柱狀珍珠層在海水中浸泡15天后的SEM圖像；

(c) OCA和附著力從不同的高度下降,砂粒撞擊后顯示良好的水下疏油性和低附著力。插圖為樣品從52 cm高度處進行顆粒撞擊后的表面形態SEM圖像；

(d) 附著力與油滴的預負荷，顯示穩定的超低粘附直到預加載超90 μN。插圖為油滴形狀在接觸，預加載和分離過程，油滴并未拉伸。檢測油1,2-氯乙烷。

圖4：樣品AFM圖像
(a-c) AFM圖像(d-f)提出潤濕模型(a,d)人工柱狀珠母貝，列邊長為2.8 μm，列距離3.1 μm；(b,e) MMT/HEC列邊長為1.8 μm，列距離3.2 μm和(c,f) MMT/HEC列邊長3.9 μm，列距離3 μm。(d),(e)和(f)放大的黑色虛線部分代表樣品三相接觸線，由圖可知人工柱狀珍珠層三相接觸線長度最短。

王建鋒簡介

北京航空航天大學化學與環境學院講師，主要研究領域：仿生納米復合材料的結構設計及力學性能研究；高強度高韌性納米復合水凝膠的結構設計及性能研究；石墨烯的制備、組裝及工業化應用。（信息來自：北京航空航天大學化學與環境學院）

衡利蘋簡介

北京航空航天大學化學與環境學院副教授，主要研究領域：仿生多孔材料的制備表征及其應用；仿生特殊黏附材料的制備及其應用；仿生光電功能材料的制備與應用。（信息來自：北京航空航天大學化學與環境學院）

文獻鏈接：Robust Underwater Oil-Repellent Material Inspired by Columnar Nacre?（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603000）

本文由材料人新能源學術小組 Xu 供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。