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【材料百科】疏水亲水自由切换的材料

09/02/2018

 

单层原子材料在电压作用下可以改变表面结构从而改变润湿性质。

 

当雨落在荷叶上时,荷叶不会被打湿。这是因为荷叶有特殊的结构,水滴滚落而不会润湿叶面。人造材料也可以是疏水的。但是,想要造出一种材料,让它的表面可以在亲水和疏水两个状态间切换却极为不易。现在,奥地利维也纳科技大学、比利时鲁汶大学和瑞士苏黎世大学的研究人员可以成功地操纵单层氮化硼材料,使其润湿和附着能力在高低之间来回切换。

 

“材料表面最有意思的物理特性就是它的静摩擦力,”维也纳科技大学应用物理研究所和鲁汶大学的研究员 Stijn Mertens 表示,“如果材料表面上物体要滑落的话,必须要克服这种静摩擦力。”材料表面的纳米结构在很大程度上决定了静摩擦力的大小:材料表面和其他物体(如液滴)的接触细节取决于其原子排列的几何规律以及其他性质。而这对附着、静摩擦力和润湿来说十分关键。但是此前,静摩擦力和润湿之间的关系极少为人所知。

 

 “就像由单层碳原子构成的石墨烯材料一样,我们的氮化硼材料由等量的氮原子和硼原子构成,其厚度也是单层原子。” 苏黎世大学物理研究所的 Thomas Greber 表示。这层超薄材料可以生长在铑单晶上。

 

铑单晶表面的原子以及氮化硼里的原子均形成了一个边角形结构。不过两种材料各自的原子间距是不同的。氮化硼中13个原子所占体积和12个铑原子所占体积相同,如此一来两种晶体无法完全契合。由于这种不匹配,氮化硼六角形必然会弯折,形成了一种波长为3.2纳米、高度为0.1纳米的静止波浪。

 

Stijn Mertens 表示,“正是这种二维纳米波影响了水对表面的润湿。”此外,氮化硼的超结构可由一个简单的方法抚平:浸没到酸液里然后施加电压,氢原子在单层氮化硼下面运动,会改变氮原子和铑原子间的化学键。这个过程能把氮化硼抚平。

 

这样,水滴在材料表面的附着能力就会立刻发生巨大的变化,即便水滴比氮化硼的微小波浪结构大100000倍。减小电压,这个效应就会反转。Stijn Mertens 解释道,“我们可以让材料表面在两个状态间反复切换。”

 

为了在施加电压的同时研究材料表面的润湿性能,研究人员专门搭建了一种仪器。液滴通过一个极细的玻璃管被滴到材料表面。液滴可变大变小,同时它的形状被记录了下来。液滴是扁平还是滚圆,取决于材料表面的性质。

 

可在亲水和疏水状态间切换的材料概念已经出现了一段时间了。比如,当某种色光照射时,一些有机分子的形状会发生变化,人们把这种分子制成了材料表面。但是,这种分子比这篇文章中描述的材料更加复杂易碎。

 

 “我们的表面仅由单层原子构成,它是完全无机的,即使我们把它在真空中加热到1000°C时也不会发生变化,” Stijn Mertens and Thomas Greber 表示,“这意味着这种材料也可以用于有机分子容易遭到破坏的场合,无论是日常生活还是太空旅行。”

 

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