仿生抗矿物粘附界面材料制备及其性能研究

In nature, there are various unique phenomena of surface adhesion. However, some of them always bring us some trouble. In industrial production, scale could block water or oil pipeline, leading to the reduction of equipment life time and working efficiency. In daily life, the adhesion of minerals on the surface of teeth, kidney and urethra will trigger plenty of stone–related diseases. Therefore, it is an urgent need to develop suitable strategy for anti-adhesion of minerals. Inspired by nature, this project expects to design and develop bio-inspired interfacial materials with highly efficient anti-adhesion towards minerals. Firstly, we investigate the working mechanism of anti-adhesion of minerals by selecting normal renal tubule as model. Secondly, we synthesis bio-inspired interfacial materials through bottom up or top down methods. The influence of different factors is explored by systematically regulating surface morphologies and chemical components. Thirdly, by further integrating smart responsive molecules, we could dynamically regulate the adhesion of minerals under the external stimuli (i.e., photo, electro, heat, shear force and magnetism). Finally, the basic principle is employed to guide the development of novel bio-inspired interfacial materials with highly efficient anti-adhesion towards minerals.

自然界中粘附现象无处不在，其中一些矿物粘附现象常常造成我们的困扰。在生产中，结垢会堵塞管道，不但会减少设备使用寿命而且会降低使用效率。在生活中，牙齿、肾和尿道表面的矿物质粘附会产生病理性的矿化，引发多种结石相关的疾病。因此，急需寻找合适的抗矿物粘附策略，有效的减少或者避免这些困扰。本项目基于仿生设计理念，期望设计对矿物具有高效抗粘附功能的仿生界面材料。首先，选择具有抗矿物粘附的肾小管表面为研究模型，研究其抗矿物粘附的原理。其次，通过自下而上或自上而下的合成方法仿制生物界面，精确调控材料表面结构，化学组成等因素，明确其对矿物粘附的影响，实现对矿物矿化及其粘附的调控。进一步引入响应性分子，在复杂的外界环境下（如光、电、热、力，磁等），实现对矿物粘附性能的动态调控。最终，总结归纳影响矿物粘附性能的规律，为设计新型高效的抗矿物粘附界面材料提供理论和实验指导。

矿物粘附现象常常造成我们的困扰。如结垢会堵塞管道，降低设备使用寿命与使用效率。牙齿、肾和尿道病理性的矿化，引发多种结石相关的疾病。因此，急需寻找合适的抗矿物粘附策略，将有效的减少或者避免这些困扰。.受具有自清洁特性的生物启发，申请人仿生制备了多种基于阻隔层（如气体、液体）的抗矿物粘附与沉积的界面材料。主要围绕以下三个方面展开：1）研究了影响矿物界面粘附与沉积的因素（如表面电荷、浸润性等），制备了系列仿生矿化涂层，实现了对水下油粘附的调控以及高效油水分离；2）探究了阻隔层（如润滑液体、气体等）的界面稳定策略，并设计制备了仿生抗垢涂层，在采输油管道等方面的具有潜在应用价值；3）总结归纳影响矿物沉积的规律，提出了仿生抗矿物涂层的发展方向以及存在潜在问题，为新型多功能仿生抗垢节能涂层设计提供新思路。.在本项目支持下，申请人以第一作者或通讯联系人发表 SCI 论文 12篇，其中影响因子大于15的6篇，包括Nat. Protoc. （1篇），Adv. Mater. （2篇），Adv. Funct. Mater. （2篇），Mater. Horiz. （1篇）。申请发明专利5项，其中授权1项。代表性结果叙述如下：1）通过调控矿物在材料表面的黏附与沉积，可控的制备了类珍珠层的仿生矿化膜，实现水下透明、高机械性能、超疏油性能；2）通过协同仿生策略将抗粘附和集油相结合，利用收集的油作为阻隔层，改变水下结垢微环境，抑制采油管道的水垢沉积；3）受水蜘蛛补气过程启发，通过将稳定的气膜作为阻隔层，降低矿物的结晶与粘附，实现长效动态高效抗垢。