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    深圳大學周學昌教授課題組:受生物分泌啟發的抗冰霜、化冰、抗冰黏附的韌性有機水凝膠動態界面
    2020-11-25  來源:高分子科技

      水及空氣中懸浮的水蒸氣在低溫下的結冰影響著地面的交通運輸、航空、能源、制冷等眾多領域,造成巨大的經濟損失和安全問題。當前的控冰防冰策略如引入超疏水涂層以及低表面能材料往往受到低的延遲結冰時間、無法長時穩定和大規模生產等缺點所限。而最近發展的離子凝膠在體現了其良好的抑制冰核形成和生長的同時,多次循環使用帶來的去冰抗霜效果的下降和離子凝膠對很多工程材料的腐蝕性依然給這一領域帶來了挑戰。


      在自然界中,一些生物蚯蚓、泥鰍和魚類在受到外界刺激時會自動分泌一些粘液適應環境或逃離捕食者來得以生存。受到該生物行為的啟發,深圳大學周學昌教授課題組在前期抗冰韌性有機水凝膠(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 6568-6571;J. Mater. Chem. B, 2018, 6, 7366-7372.)的研究基礎上設計了一種有機水凝膠動態界面結構。該界面結構允許水(水汽)和抗凍劑在其表面動態且可逆的交換,實現展現長時抗冰霜、化冰和抗冰黏附。該涂層在低溫下對于冰的滑動角最低接近2°,延遲結冰霜時間長達970分鐘(99%相對濕度,采用額外加濕)。該策略為如飛機、道路以及戶外設施在低溫下的表面抗結冰提供了一種可靠和易于大規模應用的方法。


    圖1.受生物分泌液體啟發的具有抗冰霜、化冰、抗冰黏附、低溫下防止組織黏附和可循環使用的韌性有機水凝膠動態界面的示意圖。


      有機水凝膠動態界面是一種由高分子網絡和水與抗凍劑的混合溶劑組成的界面結構(圖1)。在低溫下時,當水分子或者冰接觸到有機水凝膠動態界面時,該表面可以釋放抗凍劑,形成抗結冰的固-液界面,從而實現化冰、抗冰黏附和防止生物組織黏附。由于界面內部包含了眾多的抗凍劑分子,有機水凝膠動態界面可以持續地在低溫下捕獲冷凝在界面上的水分子,進而抑制界面上的冷凝水的結冰,實現涂層內部抗結冰、界面抗霜。該涂層被成功應用到玻璃片、塑料及彈性體、布片、金屬片與線和葉片等平面或立體結構上的基底上,實現了低溫下出色的抗冰霜性能(圖2)。此外,有機水凝膠動態界面的構筑原料來源豐富,具有較高的普適性、可機械性能調控、可圖案化和可循環使等特點,為抗結冰界面的設計、低成本、規模化制備和應用提供了新的思路。


    圖2. 韌性有機水凝膠動態界面材料應用于玻璃片、PDMS、眼睛、手表、手機、布片、不銹鋼片、金屬鋁導電線、塑料模型車、葉片和螺旋槳等多種基底的抗冰展示圖片,其中被冰雪覆蓋的部分為無有機水凝膠修飾區域。


      該研究成果以“Bioinspired Tough Organohydrogel Dynamic Interfaces Enabled Subzero Temperature Antifrosting, Deicing, and Antiadhesion”為題,近期發表于美國化學會旗下期刊ACS Applied Materials & Interfaces。該論文的第一作者為深圳大學碩士研究生陳繁徐紫瑤,通訊作者為深圳大學周學昌教授。該工作得到國家自然科學基金優秀青年基金等項目的資助。


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c17163

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