江雷Adv. Funct. Mater.：仿生荷叶-超亲水表面与超疏水表面结合的Janus界面材料

【引言】

具有超级浸润性（超疏水/油 或 超亲水/油）的界面材料在现实世界中解决了诸多问题，如溢油清理、表面防雾、防腐蚀等。在文人眼中，荷的出淤泥而不染是高洁的；在理工人眼中，荷的高洁则是大自然赠予人类宝贵的教科书——超疏水材料的问世正式基于对荷叶的仿生。自然界种种“自然而然”的现象总能教会勇于探索的人类许多知识。树上掉落的苹果引发了牛顿的思考，而荷叶在水面的漂浮，也引起了科研人员的探索热情。荷叶正是将超疏水性和超亲水性完美结合的产物，其具有两种超浸润特性（上表面超疏水，下表面超亲水）使得荷叶能够稳定漂浮在水面上。如果人们将超亲水和超疏水结合起来，又会碰撞出怎样的火花？

【成果简介】

近日，天津大学曹墨源副教授和北京航空航天大学及中科院理化所江雷院士（共同通讯作者）等人在期刊Advanced Functional Materials上以“Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf”为题报道了一种非对称的具有两面超浸润性的界面材料。作者学习荷叶，制备出上表面超疏水下表面超亲水的铜片，作者称之为“Janus铜片”（即两面神铜片）。这种Janus铜片能够稳定的“固定”在空气/水界面上，表现出稳定的界面漂浮性。与同样能够漂浮的超疏水基片相比，Janus铜片不仅能够漂浮，甚至能够如固定一般附着在空气/水界面上；同时在诸如己烷-水和CCl₄-水等多相界面上表现出相似的性质。Janus铜片具有显著增强的稳定性和抗旋转特性，能够像船只一般具有水面航行能力，即使是在湍急的水流中；也能抵御强风，甚至征服“瀑布”。这一发现为Janus界面材料找到了新的突破，也扩展了具有超浸润性的两性材料的应用范围。

图1 荷叶在水面的稳定漂浮性和抗翻转特性

a，具有Janus浸润性的漂浮的荷叶，其上表面为超疏水而下表面为超亲水。

b，反着放置的小片荷叶（亲水面向上）能够随着水的晃动而恢复（亲水面向下）。更重要的是，荷叶恢复后若持续晃动水面，荷叶叶片不会再次颠倒（即亲水面始终向下），这表明这种Janus浸润特性使得其具有了抗翻转能力。

图2 Janus铜片不同表面的超级浸润性

a，Janus铜片制备示意图。修饰后超亲水的铜片一面与疏水的烷基硫醇溶液反应，另一面则用水保护。

b，制备好的Janus铜片，超疏水的一面是十二烷基修饰的Cu(OH)2微纳结构，另一面是原始超亲水的Cu(OH)2纳米针覆盖的表面。

c,d，超疏水表面(c)和超亲水表面(d)的SEM照片展示了其不同的形貌。

e,f, 接触角实验显示Janus铜片存在典型的超级浸润性，也即(e)超疏水性和水下超亲油性，(f)超亲水性和水下超疏油性。

图3 微平衡系统测量空气/水界与样品片间相互作用力测量及作用过程机理

a，DSHB片压在界面上时能够产生空气阱，产生较大的排斥力约4.5mN。然而当样品片被拉出水表面时没有观察到液体桥，有着较低的粘附力（约1.73mN）。

b，相反的DSHL片没有产生空气阱但存在了液体桥，表明产生了较大的粘附力（约4.15mN）。在全部测试之后，DSHL片上表面存在一薄层水，导致了基线的偏差。

c，在对测试Janus铜片过程中，出现了空气阱和液体桥，排斥和粘附力都超过了4mN。Janus铜片有着与DSHB片类似的排斥力以及与DSHL片相似的粘附力。

DSHB：double-sided superhydrophobic，双面超疏水；  DSHL：double-sided superhydrophilic ，双面超亲水。

图4 多项界面中的界面稳定性

三相体系分别由己烷（上，透明），水（中，甲基蓝染色），CCl4（下，油红染色）。

a，DSHB片只能在己烷/水界面处。

b，DSHL片倾向于停留在水/CCl₄界面处。

c，有着恰当的表面取向，Janus铜片能够在两个界面处，表现出独特的界面稳定性。这一过程中，表面浸润性决定了浸渍液体的类型进而影响固液相互作用。

图5，DSHB和Janus微片的防风测试。

a，防风试验的说明。在距离覆盖有微片的水的表面10cm处，以接近45°角吹风。

b，在DSHB和Janus片周围空气气流的不同流动路径。空气流能够从下方通过DSHB和水表面的空气“气垫”，导致在风中DSHB的不稳定。相反的，空气只能从Janus片的上通过，因为下表面的超亲水性能够使铜片紧紧的与水表面附着。

c,d，漂浮的DSHB片部分被风吹走(c)，而Janus微片经历风吹后能够稳的停留在水面(d)。

图6，样品片在水面上的抗转动性测试

a,b，利用改良的微平衡系统来测试样品片的抗翻转能力。样品片固定在可转动的棒上并漂浮在水面上。微平衡系统持续记录反馈得到的排斥力，每个样品的力曲线在(b)中显示。Janus片表现出显著的高抗转动性，排斥力高达2.6mN，Janus片排斥力分别是DSHL片和DSHB片的2倍和3倍。

c，详细的转动过程通过高速录像机记录。具有空气阱和液体桥是Janus片高抗转动性的原因。相比之下，DSHB和DSHL片只能有利用其中一种性质来使其在界面稳定。

图7， Janus微型船的瀑布漂流之旅

制造微型船用来模拟Janus材料在真实世界中的应用。人造“瀑布”用来模拟船只航中的恶劣极端环境。DSHB片制造的微型船作为对照组与Janus材料进行对照。

a，DSHB微型船在从“瀑布”上航行时失去了平衡，这是由于缺少与水表面的粘附力。

b，有了下表面超亲水特性的帮助，Janus微型船能够有效的吸附在“瀑布”表面，并在整个滑落过程中保持稳定航行。

【小结】

作者从自然中学习，巧妙地将利用超亲水和超疏水特性结合，制备出具有两面浸润特性的Janus铜片，能够像荷叶一样稳定的漂浮在空气/水界面，以及油/水界面上。此外，Janus铜片的双面非对称浸润性（上表面超疏水性和下表面超亲水性）使其能够抗扭转、御强风、征服瀑布。这位Janus材料在现实世界中的应用提供了新思路。

文献链接：Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf(Adv. Funct. Mater.,2017,DOI:10.1002/adfm.201701466)

本文由编辑部李卓整理编译，点我加入材料人编辑部。

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