仿生智能浸润性表面研究的新进展.pdf

V01．31 高等学校化学学报 No．3 CHEMICALOFCHINESEUNIVERSrrⅡ’S 421—431 20lO年3月 JOURNAL [综合评述] 仿生智能浸润性表面研究的新进展 杜晨光1’2，夏帆1”，王树涛1”，王京霞1，宋延林1，江雷1 (1．中国科学院化学研究所，北京国家实验室分子科学中心，北京100190； 2．中国科学院研究生院，北京100049) 摘要 简要介绍了固体表面浸润性的概念及近年来的相关理论研究成果，并概述了自然界中具有特殊浸润 性表面的生物体典型实例以及仿生制备的特殊浸润性表面和智能响应表面，展望了具有特殊浸润性表面的 研究方向． 关键词超疏水；超亲水；仿生；智能响应；开关表面 中图分类号 0641 文献标识码A 文章编号0251-0790(2010)034)421-1l 特殊浸润性表面材料由于其独特的理化性质以及在涂饰、防水和生物医用材料等领域的潜在应用 引起了人们的广泛关注．浸润性是固体表面的重要性质之一，主要由表面化学组成和微观几何结构共 同决定．固体表面浸润性通常采用接触角(Contactangle，cA)进行衡量，当液滴与固体表面接触时，它 将继续保持为液滴形状或者在表面铺展形成液膜．当固体表面与水的接触角大于150。时，称之为超疏 水表面；对应地，当固体表面与水的接触角接近0。时，则称之为超亲水表面，如水(雾)滴在经过紫外 光辐照的二氧化钛纳米晶表面可以迅速铺展，接触角接近0“1J，这种超亲水材料已经被成功地用作防 雾及自清洁的透明涂层．因为水滴在超疏水表面上很难稳定地停留，如能有效利用该项技术，则与水 滴相关的各种现象如材料表面的污染、积雪和流体的黏滞等均可被有效遏制． 7s方程成 关于固体表面浸润性的研究最早可以追溯到1805年，由Young等拉1提出的著名的Young 为人们研究固一液润湿作用的基础．该方程的应用条件是理想表面，即固体表面是组成均匀、平滑、不 Wenzel方程，提出可以将不均匀的固体表面设想成由平滑及粗糙两个表面组成的一个复合表面，更精 面的粗糙因子存在一个临界值，超出这个临界值，固体表面浸润性会从适用于Wenzel方程转到适用于 Cassie方程．近年来，江雷等怕1结合超疏水表面接触角滞后的不同，对超疏水状态进行了补充和拓展， Gecko状态等5种． 制备多尺度的智能界面材料目前已引起了广泛关注．如能通过外界刺激来方便、精确地调控固体 表面浸润性，使之在超亲水和超疏水状态之间自由转换，将给人类的生产生活带来更大的便利．目前 已经实现了通过多种外界刺激方式，如光、热和pH值等实现表面浸润性的可逆转变．这类多响应材料 在药物输运、传感器和微流体开关等方面具有广阔的应用前景．但是目前所制备的特殊浸润性材料还 很难满足复杂条件的应用性需求，如多重响应性(单一刺激多个响应与多个刺激单一响应)、多功能 性、敏感性以及响应时间短等．本研究组近年来通过模仿自然界生物的结构和功能，在构造特殊浸润 收稿日期：2009-04—17． 资助． 联系人简介：江雷，男，博士，研究员，博士生导师，中国科学院院士，主要从事仿生功能界面材料的研究． E-ingil jiallglei@ieeas．∞．CO 万方数据万方数据 422 高等学校化学学报 V01．31 性表面及表面浸润性的智能调控方面做了许多工作，B]．本文简要介绍了浸润性的相关概念，列举了 自然界中具有特殊浸润性表面的生物体实例，并介绍了人们在模仿自然构造特殊浸润性表面和浸润性 智能响应表面等方面所做的一些尝试和努力，展望了特殊浸润性表面研究未来发展的方向． 1 固体表面浸润性的状态 1．1 固体表面亲水与疏水的新界限 气界面的表面张力，p为平衡接触角．这样，Young氏