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袁志好教授团队在亲水材料超疏水机制研究领域取得重要进展
2019-10-28 10:18   审核人:

超疏水(Superhydrophobic)是指表面上水的表观接触角超过150°的一种特殊表面现象,它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等领域中有着广泛的应用前景。近年来利用内在亲水功能材料构建具有光、电和超疏水多功能微纳结构表面引起人们的极大兴趣。

固体表面的润湿性是由表面粗糙度和表面化学性质共同决定,其表面超疏水性一般都归因于其粗糙表面的凹槽结构可以束缚空气从而形成气固复合表面(即“束缚空气层”模型)的缘故。然而,这种“束缚空气层”模型无法合理解释内在亲水材料的粗糙表面为什么能够超疏水。虽然近年来许多理论和实验研究试图揭示亲水材料超疏水性能的起源,但迄今都无法解释为何亲水材料的粗糙表面的“束缚空气层”在水下是稳定的,也不能合理说明为什么亲水材料的超疏水表面普遍存在对水滴的高粘滞“钉扎”现象。

近日,我校材料学院袁志好教授团队针对亲水材料的超疏水机制研究取得重要进展。该研究团队使用多种具有结构代表性的亲水性氧化物为模型材料,巧妙地设计并研究了气氛环境与处理方式对材料表面状态以及超疏水性能的影响。结合密度泛函理论计算指出,氧空位的存在使得内在亲水材料表面对氧气分子的吸附能力大于对水分子的吸附。在此基础上,通过对由亲水材料构建粗糙结构的表面缺陷与表面润湿性的深入研究分析,提出了亲水氧化物材料的超疏水行为起源于表面氧空位诱导的氧气偏爱吸附,而不是通常认为的“束缚空气层”机制。该研究成果以题为“The origin of superhydrophobicity for intrinsically hydrophilic metal oxides: A preferential O2-adsorption dominated by oxygen vacancy”发表在专业领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.201909121; 全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201909121)上。

他们所提出的超疏水新机制不但成功地解释了粗糙氧化物材料表面存在较高的水滴静态疏水角(接近甚至大于150o)的起源,同时还非常合理地解释了粗糙氧化物材料表面对水滴高粘滞以及“钉扎”现象。基于所提出的新机制,他们利用内在亲水的功能氧化物材料成功设计出了具有优越憎水行为的超疏水表面。相关研究成果有力推进了对自然和人造表面超疏水行为作用机制的进一步认识,同时也为通过缺陷工程调控、设计新型润湿性材料表面提供了全新的思路。

这篇论文以天津理工大学为唯一单位,由我校材料学科袁志好教授团队和王成教授课题组合作完成,齐高璨老师为第一作者,该论文得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划,天津市光电重点实验室等项目的支持。

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