北航郑咏梅教授Adv. Funct. Mater.: 液滴在光热有机凝胶表面的传输

tt 6年前 (2018-07-26) 9930浏览

【引言】

控制微观液滴的传输在很多研究领域都受到了一定的关注，比如，微流体、液体传输和微引擎。因而发展了很多方法来达到这个目的，比如，物理化学、热、电、磁和光诱导技术。在这些方法中，光诱导技术因为非接触刺激和很好的时空控制等优点受到了广泛的关注。目前，用来设计控制微液滴流动表面的原理主要为光响应材料和光致辐射，比如，一个光异构化的单层表面在梯度光强的照射下可以发生液滴移动。然而，目前为止，这种表面的设计依然存在一些问题，比如较高的磁滞阻力和较短的传输距离。因而，设计新型的复合表面实现有效的液滴传输依然存在挑战。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学郑咏梅教授课题组利用润滑油浸润的方法将Fe3O4纳米粒子嵌入聚二甲基硅氧烷中制备了光响应的有机凝胶表面。通过近红外光辐射的触发，被辐射的有机凝胶表面会迅速产生局部动态温度梯度来实现液滴传输。这种有机凝胶表面可实现包括水、乙二醇、丙二醇在内的等多种液滴的传输。此工作为后续设计新型的液滴传输表面提供了一种新的思路。该成果以题为"Droplets Manipulated on Photothermal Organogel Surfaces"发表在Adv. Funct. Mater.上。论文第一作者是北京航空航天大学 高春雷博士。

【图文导读】

图1. 光响应有机凝胶表面的设计

(a).图示液滴在光驱动下在光响应有机凝胶表面的移动

(b).光热的Fe3O4纳米粒子在凝胶内可迅速将近红外光转换成热

(c).图示光响应有机凝胶的制作

(d).光响应有机凝胶表面的SEM图

(e).高分辨率的SEM图

(f).POS表面的纳米尺寸的凸起为45°

(g).POS侧面的SEM图

图2. POS的光热和浸润表征

(a).POS和OS在近红外光照射下的红外照片

(b).POS在近红外光照射下随时间的温度变化

(c).POS在加热-冷却循环中的热表现

(d).导热系数和热扩散率

(e).在不同辐射时间中∇T的变化

(f).POS上不同液体的CAs和SAs

图3.光诱导液滴在POS上的运动

(a、b).丙二醇和乙二醇液滴在6秒内在POS上的移动的时间序列图

(c).两种不同大小的液滴在倾斜的POS上移动的时间序列图

(d).液滴的时间序列图

图4.丙二醇液滴在POS上的表征

(a).丙二醇液滴在POS上的光诱导变形

(b).近红外光照射下，水滴在POS上的近红外图像

(c).T和∇T在测试线上的数值

图5.光诱导液滴在POS上的运动

(a).水滴在近红外光照射下随时间的变化

(b).图示水滴在POS上移动的侧面图

(c).液滴体积和POS中的Fe3O4纳米粒子的含量对液滴移动速度的影响

图6.光诱导液滴在POS上的运动

(a).水滴在水平POS上光诱导可逆运动的时间序列图像

(b).水滴在POS上光诱导合并的时间序列图

(c).液滴在光照下环形

【小结】

在这个工作中，作者利用润滑油浸润的方法将Fe3O4纳米粒子嵌入聚二甲基硅氧烷中制备了光响应的有机凝胶表面。通过近红外光辐射的触发，被辐射的有机凝胶表面会迅速产生局部动态温度梯度来实现液滴传输。这种有机凝胶表面可实现包括水、乙二醇、丙二醇在内的等多种液滴的传输。

文献链接：Droplets Manipulated on Photothermal Organogel Surfaces(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803072)

通讯作者简介：

郑咏梅：

北京航空航天大学，化学学院，教授，博士生导师

电话：010-82338212；Email：zhengym@buaa.edu.cn

现从事仿生梯度界面材料物理化学研究；研究仿生界面材料制备的物理、化学、纳米技术等交叉技术与方法；研究仿生界面多梯度协同效应引发的动态浸润性调控，包括雾水收集特性、凝结液滴驱动与传输特性、低温超疏水/防雾/防覆冰特性与功能、以及机理分析与揭示等。在国际顶级期刊《自然》以第一单位第一作者身份发表学术封面论文（Directional water collection on wetted spider silk. Nature 2010, 463, 640, Cover story），首次揭示蜘蛛丝集水效应，提出多协同驱动液滴机制。迄今在Nature；Adv. Mater.；Angew. Chem. Int. Ed.; ACS Nano, Adv. Funct. Mater.；Small；等国内外学术期刊发表SCI学术论文100余篇，封面作12篇。撰写专著1部（Bioinspired wettability surface: Development in micro- and nanostructures）。研究工作被Nature、BBC、RSC、Wiley 新闻网站特征宣传并多篇研究论文被Nature Materials，Nature Communication，Science等顶级期刊引用。主持国家自然科学基金重点项目，国家重大科学研究计划973项目课题等。中国复合材料学会理事、全国材料新技术发展研究会常务理事、中国化学学会会员（CCS）、美国化学会会员（ACS）、国际仿生工程学会（ISBE）会员、国际先进材料学会（IAAM）会员。2016年荣获国际仿生工程学会（ISBE）杰出贡献奖等。主页Website: http://www.zhengyongmei.polymer.cn

代表性论文：

  1. Y. Zheng, H. Bai, Z. Huang, X. Tian, F. –Q. Nie, Y. Zhao, J. Zhai & L. Jiang*.

Directional water collection on wetted spider silk.

Nature 2010, 463, 640−643. (Cover story, Highlight by Nature, BBC, RSC et al)  

  1. H. Bai, X. Tian, Y. Zheng*, J. Ju & L. Jiang*.

Direction controlled driving of tiny water drops on bio-inspired artificial spider silks.

Adv. Matter. 2010, 22, 5521–5525. (Cover story, Highlight by Nature).

  1. X. Tian, Y. Chen, Y. Zheng*, H. Bai & L. Jiang*.

Controlling water capture of bio-inspired fibers with hump structures.

Adv. Mater. 2011, 23, 5486-5491. (Cover story, Highlight by RSC)

  1. H. Bai, J. Ju, R. Sun, Y. Chen, Y. Zheng* & L. Jiang*.

Controlled fabrication and water collection ability of bioinspired artificial spider silks.

Adv. Mater. 2011, 23, 3708-3711. (Cover story)

  1. P. Guo, Y. Zheng*, M. Wen, C. Song, Y. Lin & L. Jiang.

Icephobic/anti-icing properties of micro-/nanostructured surfaces.

Adv Mater. 2012, 24, 2642-2648.

  1. H. Bai, J. Ju, Y. Zheng* & L. Jiang*.

Functional fibers with unique wettability inspired by spider silks.

Adv. Mater. 2012, 24, 2786-2791. (Inside Front Cover)

  1. H. Bai, L. Wang, J. Ju, R. Sun, Y. Zheng*, & L. Jiang.

Efficient water collection on integrative bioinspired surfaces with star-shaped wettability patterns.

Adv. Mater. 2014, 26, 5025-5030.

  1. C. Liu, J. Ju, J. Ma*, Y. Zheng* & L. Jiang*.

Directional drop transport achieved on high-temperature anisotropic wetting surface.

Adv. Mater. 2014, 26, 6086-6091. (Highlight by MaterialsViewChina of Wiley)

  1. M. Zhang, L. Wang, Y. Hou, S. Feng, Y. Zheng*.

Controlled smart anisotropy unidirectional spreading of droplet on fibrous surface.

Adv. Mater. 2015, 27, 5057–5062.

  1. L. Wang, Q. Gong, S. Zhan, L. Jiang & Y. Zheng*.

Robust Anti-Icing Performance of Flexible Superhydrophobic Surface.

Adv. Mater. 2016, 28, 7729–7735.

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

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