在特殊浸润性材料上构筑小型化学反应体系的研究

Miniature chemical reaction systems (MCRSs) have been widely employed in the fabrication of valuable/dangerous chemicals due to their advanced properties, such as high-efficiency, lightweight, easy-handing, high-integration and others. However, the adhesive problem between reactants and microchannel inwall generally exists in current MCRSs. Furthermore, such miniature reactors can not bear heating reactions or reactions with solid or gaseous products. This study constructs a novel MCRS based on the employment of anti-adhesion superhydrophobic/ superoleophobic materials. Nanoparticle/polymer composite coatings were anchored to the metallic pedestals to form anti-wetting clips or manipulators, which were able to perform on-demand water/oil droplet motions without adhesion. Then, a novel miniature chemical reactor can be built when forcing chemical-reagent-rich droplets to coalesce with each other. This new MCRS can microscopically perform conventional reactions, heating reactions, organic reactions and reactions with solid or gaseous products due to the unique anti-adhesion property of superhydrophobic/ superoleophobic materials. Utilizing anti-wetting materials to build MCRS not only has important scientific purposes but also owns promising applications, which will advance the development of MCRSs.

小型化学反应体系有高效、轻便、易装卸、易直接放大及高度集成等优点，已广泛应用于昂贵或者危险化学品的安全生产领域。但目前的小型化学反应体系存在反应物与管壁粘附、不能进行加热反应以及反应产物不能生成沉淀或者气体等缺点。本课题利用特殊浸润性材料对液体排斥并不粘附的特性，构筑了一种新颖的小型化学反应体系。研究中使用纳米粒子聚合物共混技术，制备具有低粘附特殊浸润性的基底和其他物理形貌的工具（如夹子或者推动杆），利用这些特殊浸润性的工具来实现对微升级水滴、油/有机液滴或者气泡等反应单元的定向移动，控制含不同化学物质的反应单元相互融合，从而构筑了一种能进行普通化学反应、加热化学反应、有机化学反应、产物能够含有沉淀或者气体等的小型化学反应体系。该项目所提出的利用低粘附特殊浸润性材料控制液滴定向移动并构筑小型化学反应体系的研究，具有重要的科学意义和应用前景，有望在小型化学反应器件上得到广泛的应用。

目前的小型化学反应体系存在反应物与管壁粘附、不能进行加热反应以及反应产物不能生成沉淀或者气体等缺点。本项目结合国际上的研究热点和实际生产生活需要拓展了部分研究内容，取得了系列创新性的研究成果。从特殊浸润性材料的结构和功能关系受到启发，利用超疏水/超疏油材料制备微反应器操作工具，构筑了一系列具有实用意义的低粘附微反应器体系；通过研究超疏水微米柱表面的结构和原理，进一步开展对一维纳米材料有序排列与组装的研究，并将其发展成为宏观的产能器件。在本项目的支持下，已在国际学术刊物上发表第一作者或通讯作者学术论文 14 篇，包括在 Nat. Commun (1篇), Adv. Mater. (5篇), ACS Nano(1篇), Adv. Func. Mater (1篇) 影响因子 10.0 以上的学术期刊发表论文 8 篇，3 次被选为期刊的封面/内封面文章。新申请中国发明专利 1 项，新申请国际专利 1 项。