中科院化学所Adv. Mater.：具可再生烷烃表层的仿生固体有机凝胶

【引言】

在基础研究和实际应用领域，仿生表面材料都引起了研究者们极大的兴趣。一个重要的例子是在表面纹理中捕获流体以具有排斥各种不需要的液体或固体的能力。受荷叶的启发，通过捕获在多级结构中低表面能表面内的空气，制备出的超疏水结构，显示出各种实际应用的巨大潜力，如减阻，防霜，防冻和增强传热等。然而，在过冷和高压等苛刻的条件下，常常难以进行有效的空气捕集。当使用液体而不是空气时，在表面纹理中，捕集流体的稳定性可以大大的提高。受到猪笼草的启发，已经创建了一个通过在多孔固体中捕获有机液体以防止液体排斥和结垢阻力的顺滑液体渗透的多孔表面（SLIPS）。此外，由于冰与固体表面之间动态和分子平滑的液体界面，SLIPS表现出超低冰附着力，只有10-15.6 kPa。目前也已报道具有更小的冰粘附强度的顺滑表面材料，只有1.7、0.4和0.15kPa。虽然通常液体表面能低，耐久性好，但这种类型的液体输入材料通常要考虑输入液体的迁移，蒸发或泄漏等问题。

【成果简介】

 近期，中科院化学所王健君研究员和Jianyong Lv（共同通讯作者）等人受陆生植物叶表面上可再生固体上角质层蜡的启发，在Adv. Mater.期刊上发表了题为“Bioinspired Solid Organogel Materials with a Regenerable Sacrificial Alkane Surface Layer”的文章，报道了一种新型可再生烷烃表面层的固体有机凝胶（OG）。因其容易去除沉积在烷烃表面层的异物，因此这种表面材料对于解决固体沉积有着重要的实践意义，如防结冰，防涂覆和防污等。重要的是，固体烷烃层由于其在工作和待机两种状态下的固体性质，不会污染附近的表面，这与液体渗透材料完全不同。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Jianyong Lv的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！] 

【图文导读】

图1. 有机凝胶材料制备和固体有机材料的优势

a）有机凝胶材料制备过程图示。

b）不同碳数烷烃的熔融温度，表明当烷烃的碳数大于17时，在室温就可获得固体有机凝胶。

c）液态有机凝胶OG-C16表面的光学显微镜图像，可观测到在室温下，在OG-C16表面上形成的液滴。

d）固体有机凝胶OG-C24表面的光学显微镜图像，可观测到，在室温下形成固体颗粒。

e）室温下，液体有机凝胶材料呈现透明状，滤纸接触后被弄湿。

f）固体有机凝胶材料在室温下看起来不透明，滤纸接触后未被沾染。

图2.防污的应用

a）将气溶胶涂料喷涂到OG-C24上方覆盖的模板面罩上形成涂鸦，使用清洁布就可轻松擦除。

b）OG-C24表面涂上水性油漆（蓝色），硝化漆（红色）和醇酸漆（黄色），油漆易剥离。

c）涂料与基材的粘合强度测试过程的图示。

d）涂料在OG-C24表面的粘合强度比在光滑的铝表面上小得多，甚至比在PDMS表面更小。

图3. 防冰的应用

a）在剪切模式下测量冰粘附强度的图示。

b）在-30℃下，有机凝胶的冰粘附强度比在光滑的铝和PDMS表面更小，并且有机凝胶的冰粘附强度随着碳数的减少而降低。

c）固体OG-C24的冰粘附强度在-20至-70℃的温度范围内几乎保持不变。

d）20次结冰/除冰循环期间冰粘附强度几乎不受影响。

图4.形貌表征和机理解释

a）此光学显微镜图像表示，在除去烷烃层后，OG-C24材料呈现出光滑的表面。

b）光学显微镜图像显示OG-C24材料表面再生出新的烷烃层。

c）OG-24材料横截面的光学显微镜图像，表明材料由纯的烷烃层，边界层和颗粒嵌入层组成。

d）容易地除去顶部异物的固体有机凝胶材料原理示意图以及烷烃层的再生机理。

【小结】

本文设计并制备了具有可再生烷烃表面层的生物固体有机凝胶材料。由于容易除去固体层，固体有机凝胶材料在防止异物沉积的应用中具有巨大的潜力，例如防泼溅，防污和防结冰。相比于在铝和PDMS表面372.2±47.4和146.3±9.5 kPa的冰粘附强度，固体有机凝胶表面的冰粘附强度可以根据烷烃类型显着降低至68.8±10.4至8.7±5.5 kPa的范围，在宽温度-20~-70℃，固体有机凝胶可实现有效的防冰。由于烷烃层的可再生性，固体有机凝胶材料也表现出优异的耐久性，使得20次结冰/除冰循环或砂纸擦除后防结冰性能不会劣化。另外，经观测立式存储100天后材料的抗冰性能，由于表面材料既不蒸发也不污染其他表面，说明该材料有着很长的保质期。

文献链接：Bioinspired Solid Organogel Materials with a Regenerable Sacrificial Alkane Surface Layer (Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700865)

本文由材料人编辑部丁菲菲编译，点我加入材料人编辑部。