利用超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模构筑纳米结构及其超疏水/超疏油特性的研究

Recent years, a lot of interests are concerned at the superhydrophobic and superoleophobic surfaces because of their wide application in many areas. With the development of nanofabrication techniques, it is possible to design and fabricate omniphobic surface which repel all kinds of liquid. Research work are focused on developing practical fabrication method of such kind of surface, exploring the relationship between micro-nano structures and omniphobicity, and also the dynamic properties of the wetting process. Our previous study showed that it is possible to use super aligned carbon nanotube thin film as etching mask to fabricate nanostructures on varies substrate. In this project, we propose to use the mask of super aligned carbon nanotube thin film and anisotropic etching method to fabrcate three dimensional (3D) nanostructures and study their omniphobicity properties. One kind of superoleophobic surfaces will be involved in this study, slippery liquid infused network porous surfaces （SLIPS）. We will explore the effect of the curvature of 3D nanostructures to the superoleophobicity and their dynamic properties for different liquid, especially for extremely-low-energy liquids. We will study the pinning property of network porous surface to slippery liquid and the omniphobicity of the SLIPS composite structure and their repairing property. Through this research,a low cost fabrication method for nanostructures on varies kind of substrate can be developed by exploring the advantages of superaligned carbon nanotube as a large area etching mask.

具有超疏水、超疏油特性的自清洁表面在多个领域都有着广阔的应用前景。纳米加工技术的发展，使得人工制备憎一切液体的表面成为可能。发展切实可行的加工制备方法，研究微纳米结构与超疏性之间的关系，是目前国际上的研究热点。我们前期的研究表明可利用超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模，在多种基底表面制备纳米结构。本项目提出，以超顺排碳纳米管薄膜为模版，各向异性刻蚀为手段，设计并制备多种形态的三维微纳米结构，研究其超疏特性。研究内容包括：1）三维纳米结构的曲率形状对超疏特性的影响及其对各种液体，特别是对具有极低表面能液体的侵润动力学特性影响；2）探讨形成的网络状纳米结构表面注入润滑液形成的SLIPS复合结构作为憎一切表面结构的特性，网络状多孔纳米结构对润滑剂的钉扎特性，复合结构的超疏特性以及自修复特性。本项目研究可发挥超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模可大面积制备的优势，发展一种低成本可控制备纳米结构的方法。

近年来，疏水疏油等具有自清洁功能的人工表面的研究在国际上获得了极大的关注，成为各学科发展的热点之一。这主要与其作为表面的自清洁材料，有着巨大的实际应用价值有关。经过四年的探索研究，本课题研究实现了基于超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模材料的超疏水、超疏油材料制备，圆满完成了既定的研究计划，达到了预期的研究目标。通过对几个关键科学问题深化研究，课题组发展出了一整套利用超顺排碳纳米管作为刻蚀掩模的微纳米结构制备方法，并将其应用在表面增强拉曼散射与光催化等领域上。主要研究成果归纳为以下几个方面：利用超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模的技术研究，本课题实现了在二氧化硅、晶体硅等多种常用的介质及半导体材料表面多样化微纳米结构的制备，其结构尺度可低至数十纳米。利用此种无光刻的微纳米结构制备方法，结合对超疏水和超疏油材料力学模型的研究，实现了二氧化硅等材料表面超疏水和超疏油的材料制备。该疏水材料对水的静态接触角可达到175度，滚动角小于5度。对常用有机油性溶剂二甲基甲酰胺（DMF）来说，其静态接触角可达到165度，滚动角小于8度。以本课题研究制备得到的微纳米结构作为基础，课题组成员还构建了二氧化硅及晶体硅微纳米材料与金属及半导体材料的复合材料体系，实现了表面增强拉曼基底等功能性基底材料的制备。在本项目执行期间，我们按照计划书的研究进度和经费预算开展研究，共发表SCI论文8篇，申请发明专利9项；培养博士后2人，博士生6人。