『超疏水』超疏水材料的研究现状及应用?

双面材料通过不同的特性开发，实现了理想的功能复合，近年来备受关注。

荷叶是一种典型的双面性界面行为材料，即荷叶的上表面具有超疏水特性，而下表面具有超亲水特性。形成荷叶的双面性界面的机制是由于生物为了适应环境的变化，从而引起自身细胞通透性的改变而引起的不对称变形。

近年来，相关学者研究了许多具有仿生结构的疏水/亲水两面材料。然而，大多数实验材料是不可降解的，且会涉及到有害的有机溶剂，制备过程也比较复杂。制备无毒、低成本、工艺简单的两面金属材料，仍然面临着巨大的挑战。

为了实现上述想法，郑州大学刘宪虎、潘亚敏等人受到荷叶和含羞草的启发，将PDMS与蜡烛烟灰相结合，成功制备出了超疏水性/超亲水性的双面纸，改材料具有良好的生物相容性，可作为细胞培养载体。且该材料还集水下自驱动、微滴输送和微量储水等功能于一体，是一种具有重要潜力的多功能材料。该研究以题为“A simple superhydrophobic/ superhydrophilic Janus-paper with enhanced biocompatibility by PDMS and candle soot coating for actuator”的论文发表在Chemical Engineering Journal上。

【表面特征】

图1 双面纸的表面形貌、元素及润湿性

将滤纸的其中一面依次用PDMS和蜡烛烟灰进行表面处理，得到超疏水表面，而未改性处理的另一面则表现出亲水能力。SEM图像显示滤纸由随机交错的纤维构成，纤维网格中存在很多15-35um的微孔。PDMS改性后滤纸仍保持原有的颜色，经过蜡烛烟灰改性后的滤纸纤维表面为黑色，但纤维网络的排布结构并未发生变化，且蜡烛烟灰中大量的碳元素使得超疏水表面的碳原子含量明显上升。XPS和FTIR分别用于分析了两面纸表面的元素组成和官能团，结果表明PDMS和蜡烛烟灰成功地被固定的样品的超疏水面。

超疏水表面的接触角为162.2±1.2°，滚动角为1°左右，表现出极好的超疏水性能。该表面具有很好的抗污能力，不会被生活中常见的水性污渍污染。咖啡、绿茶、糖水和牛奶等液滴在超疏水表面上均形成球形状态，很容易从表面上滚落下来。

【机械稳定性】

图2 超疏水表面的机械稳定性

超疏水表面必须要能够承受工作和贮存环境中各种载荷的作用，才能够很好地投入工程应用。在经过了砂纸打磨、手指按压、紫外光照射和水流冲击之后，PDMS改性的超疏水表面依然能够保持接触角150°以上，展现了超疏水能力较好的机械稳定性。

【生物相容性】

图3 生物相容性实验示意图及结果

用草地夜蛾细胞测试双面纸的生物相容性，实验进行70min后，双面纸表面仍然有大量的细胞存活，证明了该材料较好的生物相容性。

【水下自驱动变形】

图4 双面纸的定向驱动模式

将双面纸放入水中后，2秒内纸面向疏水侧弯曲达到270°，当浸泡时间变长时，弯曲的样品再次伸展开来。材料的驱动机理可以简要地解释为：水从双面纸的亲水侧浸润样品时，两侧产生不对称变形，其中亲水面膨胀导致样品弯曲向疏水一侧；当材料吸水饱和后，两侧变形量差异减小，则表现为样品伸展。因为有疏水性PDMS和蜡烛烟灰的存在，水不会完全浸润样品，所以伸展后的双面纸仍会有一定的弯曲，无法完全伸直。此外，材料的弯曲驱动响应能力还与滤纸的孔径相关。

图5 双面纸驱动能力的应用

双面纸不仅做出弯曲的动作，还可以实现伸展的动作，将720°卷曲的双面纸（外侧为亲水面）放入水中，样品立马就会解螺旋，伸展为平直状态；当一张含羞草样的双面纸放在水中时，它会像受外界刺激的含羞草一样收缩卷曲；将双面纸通过丝线连接到纸船上，它遇水变形时产生的自主驱动力可以拖动纸船运动，表现出了该材料在提供自主动力方面的潜在应用。

【微滴转移和微量储水】

图6 双面纸用于微滴转移和储水装置

由于两个表面粘附性的不同，两面纸的超疏水性和超亲水性表面可用于转移微滴，液滴可以从低粘附性的表面被转移到高粘附性的表面，且不产生液体损失。整个过程不需要精密仪器辅助，在自动化液体输送、药物剂量控制等领域有重要的应用前景。由于双面纸具有两种不同的润湿性，也可以将其作为少量水分的储蓄装置。

总结：作者用PDMS和蜡烛烟灰共同改性滤纸，制成了多功能双面纸。烟灰聚集的表面表现出超疏水性，相反的表面仍然表现出超亲水性。超疏水表面具有优良的防污性能、机械稳定性和生物相容性，在水下驱动器和微滴转移等领域有重要的潜在应用价值，有利于多功能驱动材料的开发和应用。

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来源：高分子科学前沿

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