中科院化學所Adv.Mater.具可再生烷烴表層的仿生固體有機凝膠

【引言】

在基礎研究和實際應用領域，仿生表面材料都引起了研究者們極大的興趣。一個重要的例子是在表面紋理中捕獲流體以具有排斥各種不需要的液體或固體的能力。受荷葉的啟發，通過捕獲在多級結構中低表面能表面內的空氣，製備出的超疏水結構，顯示出各種實際應用的巨大潛力，如減阻，防霜，防凍和增強傳熱等。然而，在過冷和高壓等苛刻的條件下，常常難以進行有效的空氣捕集。當使用液體而不是空氣時，在表面紋理中，捕集流體的穩定性可以大大的提高。受到豬籠草的啟發，已經創建了一個通過在多孔固體中捕獲有機液體以防止液體排斥和結垢阻力的順滑液體滲透的多孔表面（SLIPS）。此外，由於冰與固體表面之間動態和分子平滑的液體界面，SLIPS表現出超低冰附著力，只有10-15.6 kPa。目前也已報道具有更小的冰粘附強度的順滑表面材料，只有1.7、0.4和0.15kPa。雖然通常液體表面能低，耐久性好，但這種類型的液體輸入材料通常要考慮輸入液體的遷移，蒸發或泄漏等問題。

【成果簡介】

近期，中科院化學所王健君研究員和Jianyong Lv（共同通訊作者）等人受陸生植物葉表面上可再生固體上角質層蠟的啟發，在Adv. Mater.期刊上發表了題為「Bioinspired Solid Organogel Materials with a Regenerable Sacrificial Alkane Surface Layer」的文章，報道了一種新型可再生烷烴表面層的固體有機凝膠（OG）。因其容易去除沉積在烷烴表面層的異物，因此這種表面材料對於解決固體沉積有著重要的實踐意義，如防結冰，防塗覆和防污等。重要的是，固體烷烴層由於其在工作和待機兩種狀態下的固體性質，不會污染附近的表面，這與液體滲透材料完全不同。

[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Jianyong Lv的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1. 有機凝膠材料製備和固體有機材料的優勢

a）有機凝膠材料製備過程圖示。

b）不同碳數烷烴的熔融溫度，表明當烷烴的碳數大於17時，在室溫就可獲得固體有機凝膠。

c）液態有機凝膠OG-C16表面的光學顯微鏡圖像，可觀測到在室溫下，在OG-C16表面上形成的液滴。

d）固體有機凝膠OG-C24表面的光學顯微鏡圖像，可觀測到，在室溫下形成固體顆粒。

e）室溫下，液體有機凝膠材料呈現透明狀，濾紙接觸後被弄濕。

f）固體有機凝膠材料在室溫下看起來不透明，濾紙接觸後未被沾染。

圖2.防污的應用

a）將氣溶膠塗料噴塗到OG-C24上方覆蓋的模板面罩上形成塗鴉，使用清潔布就可輕鬆擦除。

b）OG-C24表面塗上水性油漆（藍色），硝化漆（紅色）和醇酸漆（黃色），油漆易剝離。

c）塗料與基材的粘合強度測試過程的圖示。

d）塗料在OG-C24表面的粘合強度比在光滑的鋁表面上小得多，甚至比在PDMS表面更小。

圖3. 防冰的應用

a）在剪切模式下測量冰粘附強度的圖示。

b）在-30℃下，有機凝膠的冰粘附強度比在光滑的鋁和PDMS表面更小，並且有機凝膠的冰粘附強度隨著碳數的減少而降低。

c）固體OG-C24的冰粘附強度在-20至-70℃的溫度範圍內幾乎保持不變。

d）20次結冰/除冰循環期間冰粘附強度幾乎不受影響。

圖4.形貌表徵和機理解釋

a）此光學顯微鏡圖像表示，在除去烷烴層後，OG-C24材料呈現出光滑的表面。

b）光學顯微鏡圖像顯示OG-C24材料表面再生出新的烷烴層。

c）OG-24材料橫截面的光學顯微鏡圖像，表明材料由純的烷烴層，邊界層和顆粒嵌入層組成。

d）容易地除去頂部異物的固體有機凝膠材料原理示意圖以及烷烴層的再生機理。

【小結】

本文設計並製備了具有可再生烷烴表面層的生物固體有機凝膠材料。由於容易除去固體層，固體有機凝膠材料在防止異物沉積的應用中具有巨大的潛力，例如防潑濺，防污和防結冰。相比於在鋁和PDMS表面372.2±47.4和146.3±9.5 kPa的冰粘附強度，固體有機凝膠表面的冰粘附強度可以根據烷烴類型顯著降低至68.8±10.4至8.7±5.5 kPa的範圍，在寬溫度-20~-70℃，固體有機凝膠可實現有效的防冰。由於烷烴層的可再生性，固體有機凝膠材料也表現出優異的耐久性，使得20次結冰/除冰循環或砂紙擦除後防結冰性能不會劣化。另外，經觀測立式存儲100天後材料的抗冰性能，由於表面材料既不蒸發也不污染其他表面，說明該材料有著很長的保質期。

文獻鏈接：Bioinspired Solid Organogel Materials with a Regenerable Sacrificial Alkane Surface Layer (Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700865)（見下方「閱讀原文」）

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