ACS Nano：形狀記憶微/納米結構超疏水表面及其在可擦寫液滴儲存方面的應用

【引言】

由于智能超疏水表面在自清潔、可控油/水分離、細胞捕獲/釋放和抗生物粘附等方面的廣泛應用而在過去幾十年間成為研究熱點。通常，通過將響應基團修飾到具有層次性微/納米結構的基材上得到該種智能材料。在光、熱和pH等外部刺激下，它可以呈現不同潤濕性能，如超疏水/超親水和高/低粘附性之間的可逆轉變。但是，所有這些性能變化都依賴于表面化學結構的改變，僅僅是提供被動的功能，而表面微觀結構并未改變。實際上，表面微觀結構可以賦予材料許多特殊性能，如定向粘附，水收集和水定向傳播等，而這些特性是改變表面化學結構所不具備的。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學成中軍教授(通訊作者)和劉宇艷教授(通訊作者)等人以雙酚A型二縮水甘油醚環氧樹脂(DGEBA)，間苯二甲胺(MXDA)和辛胺(OA)為主要原料，在基材表面固化制備得到形狀記憶微/納米結構超疏水材料。該材料表面具有微米級立柱，同時分布有納米級凸起結構。當立柱為直立狀態時，水滴為Cassie狀態，水僅僅與立柱表面納米結構接觸，在微/納米結構立柱間存在大量空氣，材料呈現低粘附超疏水性能。通過加熱并在材料表面施加壓力，冷卻后立柱呈現坍塌狀，材料轉變為高粘附疏水性。由于材料具有形狀記憶功能，再次加熱后，表面結構可恢復至原貌，再次變為低粘附超疏水表面，這種可逆轉變可以達到50次以上。此外，由于表面微/納米結構及其記憶性能，可以設計可擦寫微觀圖案用于液滴儲存，克服了現有報道中不可重復再設計的缺點。

【圖文簡介】

圖1：材料表面微/納米結構示意圖和按壓/恢復過程

a) 表面微/納米結構形變和恢復過程示意圖；

b)和c) 3D共聚焦顯微鏡圖像和微/納米結構相關曲線；

d) 立柱頂部AFM圖像；

e)和f) 3D共聚焦顯微鏡圖像和表面塌陷相應圖片；

g)和h) 3D共聚焦顯微鏡圖像和表面恢復的相應圖片；

i) 經過連續按壓/恢復后立柱的平均高度，表面立柱可以可逆恢復。

圖2：在約40°的傾斜角度觀察到的不同表面形貌的SEM圖像

a)-c) 分別為所制備的材料表面形貌，立柱坍塌和立柱恢復的圖像；

d)-f) 分別對應a)，b)和c)的放大圖像，插圖是相應表面上水滴的形狀。

圖3：分子鏈構象和液滴浸潤模型示意圖，以及不同狀態下橫截面SEM圖像

a) 所制備材料表面含有大量交聯網絡，且分子鏈構象具有最高熵；

b) 加熱至Tg以上并按壓表面，交聯網絡抑制了大范圍的鏈滑移，導致低熵的鏈構象形成；

c) 在a)狀態下表面結構，插圖顯示空氣可以存在于液滴下方形成低粘附Cassie狀態；

d) 表面立柱坍塌的圖像，插圖表示多級結構的破壞形成較大的固/液接觸面積，導致材料疏水性降低。

圖4：所制備的表面作為可擦寫平臺用于液滴存儲

a) 以約40°的傾斜角度觀察到的具有微坑的材料表面SEM圖像；

b) 將材料表面翻面朝下，在微坑位置的水滴仍可固定，表明材料高粘附超疏水；

c)-h) 液滴在垂直表面上呈現“H”，“I”，“T”，“A”，“C”和“S”，表明材料表面具有可擦寫性能。

【小結】

該研究團隊制備了具有形狀記憶微/納米結構超疏水材料。通過改變表面微觀形貌實現浸潤性的控制，同時利用其形狀記憶功能達到可逆的目的。這種形狀記憶分層結構超疏水材料在生物傳感器，微液滴傳輸和化學微反應器等具有潛在應用。

文獻鏈接：Superhydrophobic Surface With Shape Memory Micro/Nanostructure and Its Application in Rewritable Chip for Droplet Storage (ACS nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04257)

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