仿生亲/疏水协同柔性界面的构建及其操控流体输运的研究

Manipulating liquid-solid interactions, such as liquid collection and transport, has emerged as an efficient method for the improvement of modern sciences and industry processes. Based on the unique surface chemistry, the functional surfaces possessing liquid controllability should meet requirement in the field of oil/water separation, heat transfer, etc. In nature, the binary cooperative system composed of hydrophobic outer shell and hydrophilic inner tissue is a common but useful way to harvest water. From the view of energy conversion, a water droplet on the hydrophobic surface should spontaneously transfer to the hydrophilic surface driven by surface energy gradient. By taking the inspiration from nature, this proposal aims to prepare hydrophobic/hydrophilic cooperative flexible interface for use in fluids manipulating systems. At first, several organisms will be investigated to reveal the natural hierarchical structures. According to the natural examples, the bio-inspired hydrophobic/hydrophilic interfaces with flexible features will be designed and fabricated. The directional liquid transport on the as-prepared flexible interfaces will be evaluated and optimized; in particular, the effects of the deformation, swelling, stretching, etc. of the materials will be studied. The relationship between the liquid transporting behaviors and hydrophobic/hydrophilic structure parameters will be concluded in detail. Finally, the real-world applications involving directional liquid transport, such as vapor/fog harvesting, and medical liquid transferring, will be investigated to exhibit the potential of this hydrophobic/hydrophilic cooperative systems.

利用材料的表面浸润特性，操控流体在固体表面上的收集、输运、释放等行为，可以为优化解决科研及生产中的难题提供思路与方法。生命体中，疏水外层和亲水内层所构建的二元协同系统是典型的水输运系统，在表面能的驱使下，水分由生物外部疏水区向内部亲水区输运。从自然界得到灵感，本项目拟通过对几类生物原型进行解析，如仙人掌、荷叶等，以高分子凝胶、橡胶弹性体为基底，结合微加工和超浸润界面构建方法，构筑具有液体定向输运能力的柔性亲/疏水协同界面。此类界面，以超疏表面为流体输运起点，以超亲表面液体输运路径，以流体自身表面能为驱动，将实现液体在柔性表面上的自发、定向输运。通过现代表征手段，揭示柔性基底上亲/疏水区域形状、尺寸及排列，以及拉伸、卷曲、溶胀、外加刺激等因素下，界面上流体定向输运的行为变化。进一步将优化的此界面材料应用于雾水收集、药液输送等领域，对比评价其相关性能，阐述此类柔性界面在流体输运中的意义。

本项目的研究目标为仿生构筑具有流体操控能力的柔性界面材料，主要研究内容为基于亲/疏水协同效应和不对称界面结构，探索其表面对于液流自发、定向、连续的操控过程。进一步，以自然界原型为基础，通过激光雕刻、机械微加工、掩模涂敷等方法，调控界面结构及亲/疏水微区参数以及界面不对称性质，实现对于液体输运的有效操控，并探索及验证所设计界面在诸如雾水收集、水下气体输运、电解水产气原位拆分等方向的潜在应用价值。项目按照研究计划顺利进行，已按要求完成项目内容。通过对仙人掌和沙漠甲虫结构进行分析，仿生构筑了具有低成本、高效率、抗菌性的新型雾水收集器件，并验证了其在雾气中的自发液滴泵送行为。基于对已有疏水/超疏水基底对水下气泡的黏附行为，仿生构筑了具有刚柔并济结构和双重不对称结构的水下气体轨道，并验证了其在气体生成+输运过程中的可靠性。通过拓展亲/疏水协同界面上的单向流体输运过程，项目中还设计实现了各向异性组合网材上的单向流体导通过程。最后，从制备方法学角度，项目中创制了“胶水+粉末”法，实现了超疏水界面的普适性、多功能化制备，为亲/疏水协同界面的制备提供了更加广阔的选择。项目所取得的成果在国内外高水平刊物上发表学术论文8篇，其中包括材料领域顶级期刊Advanced Materials一篇，Cell出版社材料学旗舰期刊Matter一篇，以及Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces各一篇，受邀为Molecular Systems Design & Engineering撰写综述文章一篇，在国产高水平期刊Transactions of Tianjin University上发表论文一篇。影响因子大于10的5篇，封面文章3篇，总引用超过200次。申请发明专利2项，申请并授权实用新型专利1项。参加国内外重要学术会议3次，并作口头报告。培养博士研究生2人、硕士研究生7人，其中3人获得国家奖学金。