分析蘇州納米所冷凝微滴自驅(qū)離納米仿生界面生物原型、機(jī)理及構(gòu)筑原則

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所高雪峰研究員課題組聚焦冷凝微滴自驅(qū)離納米仿生界面的設(shè)計(jì)、制備、性能調(diào)控及潛在應(yīng)用展開了一系列探索。受蟬翼及彈射孢子表面冷凝液滴融合自去除原理啟發(fā)，他們首先仿制了聚合物納米乳突及納米錐陣列結(jié)構(gòu)（Chem. Commun.2012,48, 11322；ACS Appl. Mater. Interfaces2012,4, 5678；Small2014,10, 2578），冷凝動力學(xué)研究顯示：聚合物納米乳突頂部尖銳化是確保冷凝微滴融合自去除的關(guān)鍵（Adv. Mater. Interfaces2015,2, 1500238）。隨后，他們提出材料表面原位生長密排列準(zhǔn)直納米針可實(shí)現(xiàn)小尺度冷凝微滴高效自彈射去除的策略，實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合揭示了納米結(jié)構(gòu)表面極低的固液黏附是確保冷凝微滴利用自身融合釋放的微弱過剩表面能實(shí)現(xiàn)自彈射去除的機(jī)理（J. Phys. Chem. Lett.2014,5, 2084）。在此基礎(chǔ)上，提出了功能界面構(gòu)筑單元的設(shè)計(jì)原理：特征間距在亞微米尺度以避免水汽侵入；控制足夠的高度或深度避免懸浮液橋接觸結(jié)構(gòu)底部；采用離散突起形貌降低固-液界面黏附以實(shí)現(xiàn)冷凝微滴自彈射去除。遵循這一原理，先后設(shè)計(jì)制備了多種納米針錐構(gòu)型（ACS Appl. Mater. Interfaces2014,6, 8976；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 10660；Adv. Mater. Interfaces2016,3, 1600362；ChemNanoMat2016,2, 1018）、納米粒子多孔構(gòu)型（Angew. Chem. Int. Ed.2015,54, 4876）以及納米棒-孔復(fù)合構(gòu)型（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 18206；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 11079），經(jīng)低表面能化學(xué)修飾后都具有優(yōu)異的冷凝微滴自彈射去除功能。

初步研究顯示：冷凝微滴自驅(qū)離納米仿生界面與微熱輔助技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)表面持續(xù)無霜（ACS Appl. Mater. Interfaces2014,6, 8976），這一創(chuàng)新策略將有助于研制更節(jié)能的空調(diào)/熱泵換熱器。這種仿生界面還具有優(yōu)異的過冷水不沾功能，是一種理想的節(jié)能技術(shù)，可用于飛行器機(jī)翼防凍雨結(jié)冰（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 26391）。此外，這種仿生界面比普通金屬表面有更高效的冷凝傳熱性能（ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7, 11719；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7,10660），相關(guān)知識創(chuàng)新將有助于設(shè)計(jì)開發(fā)性能更卓越的傳熱傳質(zhì)界面材料與熱控器件。

最近，受《先進(jìn)材料》雜志約稿，他們對冷凝微滴自驅(qū)離納米仿生界面最新研究進(jìn)展進(jìn)行了專題報(bào)道及評述（Adv. Mater.2017,29, 1703002, DOI: 10.1002/adma.201703002），文章涉及功能界面的生物原型、機(jī)理及構(gòu)筑原則、金屬基功能界面的制備方法及其在能源相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展；最后，文章還總結(jié)了該研究領(lǐng)域目前存在的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢，尤其如何利用其它仿生策略來設(shè)計(jì)開發(fā)性能更卓越的冷凝微滴自驅(qū)離功能界面。

上述工作得到科技部、基金委、中科院、江蘇省等項(xiàng)目支持。

圖1.冷凝微滴自驅(qū)離功能界面的生物原型。(a-b)荷葉表面低黏超疏水特性在冷凝環(huán)境下失效，冷凝微滴牢牢粘附在表面。(c-e)具有水汽不沾功能的蚊眼表面。(f)具有冷凝微滴融合自去除功能的蟬翼表面。(g)彈射孢子利用冷凝微滴融合自彈射去除的模型圖。

圖2.冷凝微滴自驅(qū)離納米仿生界面構(gòu)筑原則。(a-d)納米結(jié)構(gòu)表面冷凝微滴融合自彈射去除的原理圖。(e)構(gòu)筑單元設(shè)計(jì)三原則。(f-g)材料表面原位生長密排列準(zhǔn)直納米針實(shí)現(xiàn)冷凝微滴自彈射去除的策略。

圖3.納米仿生界面節(jié)能應(yīng)用探索：(a,b)空調(diào)換熱器除露防霜的需求及功能界面效果演示。(c,d)機(jī)翼防凍雨結(jié)冰的需求及功能界面效果演示。

圖4.納米仿生界面強(qiáng)化傳熱探索。(a,b)棱狀納米針簇結(jié)構(gòu)SEM圖。(c)光學(xué)圖顯示了納米表面相比光滑疏水表面具有非凡的小尺度冷凝微滴高效自更新功能。(d-f)納米結(jié)構(gòu)表面高密度冷凝核化機(jī)理的模型圖。(g,h)針簇內(nèi)冷凝液滴自輸運(yùn)-自膨脹生長模式。(i,j)針簇頂部匯聚處的冷凝液滴自膨脹生長模式。(k)冷凝液滴融合自彈射去除的模型圖。(l)納米樣品與銅表面滴狀冷凝傳熱系數(shù)對比。