密度泛函理论研究：修饰剂与湿度对铝、锌超疏水表面结/防冰行为的影响

Superhydrophobic surface has potential application in the field of self-cleaning, anti-fouling, anti-fogging, anti-icing, anti-corrosion and so on because of its special wetability. There are many factors affecting the anti-icing property of superhydrophobic material. Experimentally, modifier and humidity has influence on the supericephobic property of superhydrophobic surface, which is lack of theoretical foundation. Periodic density functional theory together with the all-electron basis set slab model will be used to calculate the micro mechanism of the influence of modifier and humidity on the icing/anti-icing property of aluminum and zinc superhydrophobic surface in this project. The influence of modifier type, length and density on the supericephobicity and the influence of humidity on the absorption, dissociation mechanism of modifier molecule on aluminum and zinc surface will be investigated to reveal the microscopic mechanism and chemical nature of the interactions at atomic and molecular scale. This project may provide new insight for the supericephobic application of aluminum and zinc superhydrophobic surface.

超疏水材料因其独特的润湿性能，在自清洁、防污、防雾、防覆冰、抗腐蚀等领域有潜在应用价值。影响超疏水材料防覆冰性能的因素很多，以往实验研究表明，铝、锌基超疏水表面可以通过修饰剂与湿度调控实现超疏冰性能，但其行为的微观机理并不是很清楚。本项目拟利用全电子基组的密度泛函理论从表面修饰剂和湿度两个方面对铝、锌基超疏水表面结/疏冰微观机理进行研究：考察表面修饰剂类型、链长、覆盖率对铝、锌基超疏水表面超疏冰性能的影响，进而探究湿度对修饰剂在铝、锌表面吸附、解离所起作用，从原子分子层次上揭示其相互作用的微观机理及化学本质，为开发具有超疏冰性能的铝、锌表面材料提供理论新思路。

本项目利用全电子基组的密度泛函理论从表面修饰剂和湿度两个方面对铝、锌基超疏水表面结/防冰微观机理进行研究：考察表面修饰剂类型、链长、覆盖率及湿度对铝、锌基超疏水表面超疏冰性能的影响，从原子分子层次上揭示其相互作用的微观机理及化学本质，为开发具有超疏冰性能的铝、锌表面材料提供理论新思路。研究发现：（1）使用全十七氟硅烷(CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH3)3)和聚乙烯醇(H(OCH2CH2)nOH)作为超疏水、超亲水修饰剂的代表来修饰铝表面，使用密度泛函理论研究FAS-17/PEG和铝表面的相互作用机理，发现：1,2解离比1,4解离更稳定；在表面干燥，修饰剂浓度适当（50%）时，修饰剂的解离产物更稳定；（2）采用了阳极氧化的方法制备出铝基微米结构粗糙表面，经过十八烷酸、聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、六次甲基四胺修饰剂修饰后，随着修饰剂表面能的降低，接触角在增大，而冰附着强度在减小；（3）采用密度泛函理论计算Zn在最上一层的ZnO(0001)表面，表面能为1.99 J/m2；含氟硅氧烷在干燥和羟基化ZnO表面只有一个OH发生解离，然后两个含氟硅氧烷发生水解缔合；分子动力学发现水在ZnO表面亲水，在氟硅氧烷修饰的锌表面接触角增大。（4）采用了分子动力学，研究冰与不同粗糙度和掺杂的氧化铝相互作用，发现：表面的冰附着力呈各向异性，而且与表面的可及面积、非键作用成比例；切向力比法向力大，而且在水平方向，垂直于粗糙表面凹槽的方向冰粘附力最大；Fe原子掺杂后，非键作用和溶剂可及表面积均减小。.在项目执行期间，发表高水平学术论文10篇，其中SCI收录8篇；申请国家发明专利4项，获国家授权发明专利和实用新型专利各1项；联合培养武汉科技大学硕士研究生2名，湖北师范大学硕士研究生1名；参加国内学术会议2次，多次进行校内外的学术交流。