【引言】

    具有超級(jí)浸潤(rùn)性（超疏水/油 或 超親水/油）的界面材料在現(xiàn)實(shí)世界中解決了諸多問題，如溢油清理、表面防霧、防腐蝕等。在文人眼中，荷的出淤泥而不染是高潔的；在理工人眼中，荷的高潔則是大自然贈(zèng)予人類寶貴的教科書——超疏水材料的問世正式基于對(duì)荷葉的仿生。自然界種種“自然而然”的現(xiàn)象總能教會(huì)勇于探索的人類許多知識(shí)。樹上掉落的蘋果引發(fā)了牛頓的思考，而荷葉在水面的漂浮，也引起了科研人員的探索熱情。荷葉正是將超疏水性和超親水性完美結(jié)合的產(chǎn)物，其具有兩種超浸潤(rùn)特性（上表面超疏水，下表面超親水）使得荷葉能夠穩(wěn)定漂浮在水面上。如果人們將超親水和超疏水結(jié)合起來(lái)，又會(huì)碰撞出怎樣的火花？

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，天津大學(xué)曹墨源副教授和北京航空航天大學(xué)及中科院理化所江雷院士（共同通訊作者）等人在期刊Advanced Functional Materials上以“Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf”為題報(bào)道了一種非對(duì)稱的具有兩面超浸潤(rùn)性的界面材料。作者學(xué)習(xí)荷葉，制備出上表面超疏水下表面超親水的銅片，作者稱之為“Janus銅片”（即兩面神銅片）。這種Janus銅片能夠穩(wěn)定的“固定”在空氣/水界面上，表現(xiàn)出穩(wěn)定的界面漂浮性。與同樣能夠漂浮的超疏水基片相比，Janus銅片不僅能夠漂浮，甚至能夠如固定一般附著在空氣/水界面上；同時(shí)在諸如己烷-水和CCl4-水等多相界面上表現(xiàn)出相似的性質(zhì)。Janus銅片具有顯著增強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗旋轉(zhuǎn)特性，能夠像船只一般具有水面航行能力，即使是在湍急的水流中；也能抵御強(qiáng)風(fēng)，甚至征服“瀑布”。這一發(fā)現(xiàn)為Janus界面材料找到了新的突破，也擴(kuò)展了具有超浸潤(rùn)性的兩性材料的應(yīng)用范圍。

    圖1 荷葉在水面的穩(wěn)定漂浮性和抗翻轉(zhuǎn)特性

    a，具有Janus浸潤(rùn)性的漂浮的荷葉，其上表面為超疏水而下表面為超親水。

    b，反著放置的小片荷葉（親水面向上）能夠隨著水的晃動(dòng)而恢復(fù)（親水面向下）。更重要的是，荷葉恢復(fù)后若持續(xù)晃動(dòng)水面，荷葉葉片不會(huì)再次顛倒（即親水面始終向下），這表明這種Janus浸潤(rùn)特性使得其具有了抗翻轉(zhuǎn)能力。

    圖2 Janus銅片不同表面的超級(jí)浸潤(rùn)性

    a，Janus銅片制備示意圖。修飾后超親水的銅片一面與疏水的烷基硫醇溶液反應(yīng)，另一面則用水保護(hù)。

    b，制備好的Janus銅片，超疏水的一面是十二烷基修飾的Cu（OH）2微納結(jié)構(gòu)，另一面是原始超親水的Cu（OH）2納米針覆蓋的表面。

    c,d，超疏水表面（c）和超親水表面（d）的SEM照片展示了其不同的形貌。

    e,f, 接觸角實(shí)驗(yàn)顯示Janus銅片存在典型的超級(jí)浸潤(rùn)性，也即（e）超疏水性和水下超親油性，（f）超親水性和水下超疏油性。

    圖3 微平衡系統(tǒng)測(cè)量空氣/水界與樣品片間相互作用力測(cè)量及作用過程機(jī)理

    a，DSHB片壓在界面上時(shí)能夠產(chǎn)生空氣阱，產(chǎn)生較大的排斥力約4.5mN。然而當(dāng)樣品片被拉出水表面時(shí)沒有觀察到液體橋，有著較低的粘附力（約1.73mN）。

    b，相反的DSHL片沒有產(chǎn)生空氣阱但存在了液體橋，表明產(chǎn)生了較大的粘附力（約4.15mN）。在全部測(cè)試之后，DSHL片上表面存在一薄層水，導(dǎo)致了基線的偏差。

    c，在對(duì)測(cè)試Janus銅片過程中，出現(xiàn)了空氣阱和液體橋，排斥和粘附力都超過了4mN。Janus銅片有著與DSHB片類似的排斥力以及與DSHL片相似的粘附力。

    DSHB：double-sided superhydrophobic，雙面超疏水；  DSHL：double-sided superhydrophilic ，雙面超親水。

    圖4 多項(xiàng)界面中的界面穩(wěn)定性三相體系分別由己烷（上，透明），水（中，甲基藍(lán)染色），CCl4（下，油紅染色）。

    a，DSHB片只能在己烷/水界面處。

    b，DSHL片傾向于停留在水/CCl4界面處。

    c，有著恰當(dāng)?shù)谋砻嫒∠?，Janus銅片能夠在兩個(gè)界面處，表現(xiàn)出獨(dú)特的界面穩(wěn)定性。這一過程中，表面浸潤(rùn)性決定了浸漬液體的類型進(jìn)而影響固液相互作用。

    圖5，DSHB和Janus微片的防風(fēng)測(cè)試。

    a，防風(fēng)試驗(yàn)的說(shuō)明。在距離覆蓋有微片的水的表面10cm處，以接近45°角吹風(fēng)。

    b，在DSHB和Janus片周圍空氣氣流的不同流動(dòng)路徑?？諝饬髂軌驈南路酵ㄟ^DSHB和水表面的空氣“氣墊”，導(dǎo)致在風(fēng)中DSHB的不穩(wěn)定。相反的，空氣只能從Janus片的上通過，因?yàn)橄卤砻娴某H水性能夠使銅片緊緊的與水表面附著。

    c,d，漂浮的DSHB片部分被風(fēng)吹走（c），而Janus微片經(jīng)歷風(fēng)吹后能夠穩(wěn)的停留在水面（d）。

    圖6，樣品片在水面上的抗轉(zhuǎn)動(dòng)性測(cè)試

    a,b，利用改良的微平衡系統(tǒng)來(lái)測(cè)試樣品片的抗翻轉(zhuǎn)能力。樣品片固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)的棒上并漂浮在水面上。微平衡系統(tǒng)持續(xù)記錄反饋得到的排斥力，每個(gè)樣品的力曲線在（b）中顯示。Janus片表現(xiàn)出顯著的高抗轉(zhuǎn)動(dòng)性，排斥力高達(dá)2.6mN，Janus片排斥力分別是DSHL片和DSHB片的2倍和3倍。

    c，詳細(xì)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程通過高速錄像機(jī)記錄。具有空氣阱和液體橋是Janus片高抗轉(zhuǎn)動(dòng)性的原因。相比之下，DSHB和DSHL片只能有利用其中一種性質(zhì)來(lái)使其在界面穩(wěn)定。

    圖7， Janus微型船的瀑布漂流之旅制造微型船用來(lái)模擬Janus材料在真實(shí)世界中的應(yīng)用。人造“瀑布”用來(lái)模擬船只航中的惡劣極端環(huán)境。DSHB片制造的微型船作為對(duì)照組與Janus材料進(jìn)行對(duì)照。

    a，DSHB微型船在從“瀑布”上航行時(shí)失去了平衡，這是由于缺少與水表面的粘附力。

    b，有了下表面超親水特性的幫助，Janus微型船能夠有效的吸附在“瀑布”表面，并在整個(gè)滑落過程中保持穩(wěn)定航行。

    【小結(jié)】

    作者從自然中學(xué)習(xí)，巧妙地將利用超親水和超疏水特性結(jié)合，制備出具有兩面浸潤(rùn)特性的Janus銅片，能夠像荷葉一樣穩(wěn)定的漂浮在空氣/水界面，以及油/水界面上。此外，Janus銅片的雙面非對(duì)稱浸潤(rùn)性（上表面超疏水性和下表面超親水性）使其能夠抗扭轉(zhuǎn)、御強(qiáng)風(fēng)、征服瀑布。這位Janus材料在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用提供了新思路。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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