我們通過(guò)一步電沉積方法，制備了界面性能（如浸潤(rùn)性和斥液性）可逆調(diào)控的多孔金屬表面。我們發(fā)現(xiàn)，界面性能可逆調(diào)控的物理根源是：表面活性劑配體分子的取向變化。

論文：Electrodeposited surfaces with        

          reversibly switching interfacial properties

論文第一作者：劉悅

論文通訊作者：楊士寬

通訊作者單位：浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

推薦人：李浩然（化學(xué)系教授）

研究背景

具有特殊界面性能的表面在眾多領(lǐng)域具有舉足輕重的作用。通過(guò)研究自然界植物的表面結(jié)構(gòu)與功能關(guān)聯(lián)，科學(xué)家制備了多種具有特殊潤(rùn)濕性和斥液性的表面。譬如，通過(guò)模仿荷葉和豬籠草的表面，分別合成了具有超疏水性能的微納結(jié)構(gòu)表面和具有優(yōu)異斥液性能的潤(rùn)滑液浸漬表面（SLIPS）。最近，界面性能隨外界刺激響應(yīng)的表面（智能表面）吸引了廣泛的研究興趣。然而，它們的合成過(guò)程通常需要多個(gè)復(fù)雜步驟。

近年來(lái)，具有出色的可變形性和環(huán)境適應(yīng)性的柔性電子設(shè)備在軟機(jī)器人，人機(jī)接口等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。在各類柔性導(dǎo)電材料中，液態(tài)金屬由于其高導(dǎo)電性和本征可拉伸性而被廣泛使用。

研究亮點(diǎn)

電化學(xué)沉積是一種十分簡(jiǎn)單的合成方法，已在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)在硝酸銀電解液中加入十二烷基硫酸鈉表面活性劑分子（具有親水的頭部和疏水的尾巴），通過(guò)一步電沉積制備出的多孔銀表面是親水和有機(jī)溶劑的，也就是說(shuō)，液體可以在表面迅速鋪展開(kāi)。

我們意外發(fā)現(xiàn)有機(jī)溶劑處理過(guò)后的多孔銀表面變成了超疏水，就像荷葉一樣能托起水滴。超疏水的多孔銀表面放入水中通電能夠變回到超親水狀態(tài)。這個(gè)超親水-超疏水狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變可以循環(huán)十幾次，性能不衰減。

對(duì)電沉積多孔銀表面的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和界面性能關(guān)聯(lián)關(guān)系的深入研究揭示了界面性能可逆調(diào)控的物理根源是表面活性劑配體的取向變化。表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）表征表明電解液中添加的十二烷基硫酸根錨定在了多孔銀表面。在新鮮制備的多孔銀表面上，十二烷基鏈“躲”在了銀的孔里面，所以展示出超親水性。酒精或者揮發(fā)性有機(jī)溶劑處理以后，十二烷基鏈被“拉”了出來(lái)，所以轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷３杷你y表面置于水中通電，十二烷基鏈能夠重新回到銀孔里面，恢復(fù)到超親水狀態(tài)。通過(guò)對(duì)置于水中的多孔銀表面施加電壓過(guò)程中十二烷基鏈的SERS信號(hào)強(qiáng)度的原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，證明了表面配體分子轉(zhuǎn)動(dòng)是浸潤(rùn)性可逆調(diào)控的來(lái)源。此外，電沉積的銀多孔表面能夠?qū)⑺蛴托詽?rùn)滑劑“鎖”在孔內(nèi)形成穩(wěn)定的SLIPS，從而能夠排斥油或水。

根據(jù)上述特點(diǎn)，我們初步探索了電沉積多孔銀表面在信息加密、液滴轉(zhuǎn)移、智能水閥、集水、水油分離等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

看圖說(shuō)話

圖：電沉積多孔銀表面在超親水-超疏水狀態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)換。超親水和超疏水的表面可以分別“鎖”住水和油形成SLIPS（1）和SLIPS（2）超滑斥液表面

圖：電沉積多孔銀表面的形貌和性能表征。（a） 多孔銀表面的掃描電子顯微鏡照片。（b）隨著電沉積時(shí)間延長(zhǎng)多孔銀表面的粗糙度變化。（c）不同電沉積時(shí)間制備的多孔銀表面在酒精處理前（曲線I）和處理后（曲線II）的接觸角變化。（d）25種常見(jiàn)有機(jī)溶劑處理都能使多孔銀表面從超親水轉(zhuǎn)變到超疏水。（e）極少量的酒精就能實(shí)現(xiàn)多孔銀表面從超親水到超疏水的轉(zhuǎn)變。（f）超親水到超疏水可逆轉(zhuǎn)變循環(huán)性能。（g）超親水到超疏水可逆轉(zhuǎn)換過(guò)程中，多孔銀表面形貌沒(méi)有變化。

圖：SERS揭示超親水到超疏水可逆轉(zhuǎn)變的根源是表面活性劑配體的取向變化。（a）硫酸銀拉曼峰的存在表明十二烷基硫酸根錨定在了銀表面。（b）十二烷基硫酸根在電場(chǎng)下的轉(zhuǎn)動(dòng)。（c）十二烷基硫酸根在超親水和超疏水狀態(tài)下SERS信號(hào)強(qiáng)度變化的原因。（d）SERS面掃圖證實(shí)十二烷基硫酸根在超親水狀態(tài)下SERS信號(hào)強(qiáng)。（e）SERS面掃圖證實(shí)十二烷基硫酸根在超疏水狀態(tài)下SERS信號(hào)弱。（f）原位、實(shí)時(shí)SERS監(jiān)測(cè)通電的銀表面十二烷基硫酸根的SERS信號(hào)強(qiáng)度變化。

圖：多孔銀表面的多次加密書寫應(yīng)用演示。（a）利用通電的鉛筆拖動(dòng)多孔銀表面的水滴書寫出字母“ZJU”，“ZJU”軌跡就會(huì)變成親水。當(dāng)浸入水中時(shí)，“ZJU”就會(huì)顯示出來(lái)。酒精處理后，“ZJU”徹底消失，可以重新書寫其它信息。（b）書寫時(shí)照片。（c）顯示出的“ZJU”字母以及酒精處理后字母消失照片。（d）書寫字母的軌跡寬度與電壓和書寫速度的關(guān)系。（e）10V電壓下，正常書寫速度就能獲得親水的字母軌跡。

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本研究開(kāi)發(fā)了一種極其簡(jiǎn)單的電化學(xué)方法制備界面性能可逆調(diào)控多孔金屬表面，率先利用SERS技術(shù)研究界面性能，并揭示了一種通過(guò)表面活性劑配體取向變化實(shí)現(xiàn)界面性能可逆調(diào)控的新機(jī)制。所制備的多孔表面有望在液滴操縱、油水分離、信息加密、集水、智能閥門、傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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