现代社会的工业生产和日常生活中,广泛存在着固液界面相互作用带来的液体吸附、残留、腐蚀、扩散、污染、损失,医疗行业的一次性液体容器,实验室的器皿清洁,日常生活的各类保洁,工业生产的各类液体污染,每年都浪费难以计算的液体、试剂资源以及人力物力,造成严重经济损失和生态破坏。因此,开发特殊表面,使得各种液体,包括高表面能的水溶液和较低表面能的液体(通称为油)都能极少残留及吸附,并且易于流动。
科学家们很早就致力于开发具有低粘附、易流动特性的表面,例如高分子材料特氟龙具有很低的表面能,被广泛用于不粘锅、机器组件、各类器皿,但它即便非常光滑,粘附力仍然不够低,水的接触角也不到120度,因此固液接触面积无法进一步减少。随着研究的深入,人们逐渐意识到,为开发适用于任何液体的高接触角、低粘附、低流阻的“超疏液”表面,需要特殊的倒悬微纳米结构,使得低表面能的液体也能够有效地悬挂起来而不浸润微纳结构底部。但超疏液表面的制备仍受限于重要瓶颈,包括工艺和材料互相耦合,仅可在少数材料上才能制备微纳倒悬结构,而且微纳倒悬结构的可控制备困难,如果采用化学方法难以精细控制结构,重复性差,而微纳加工十分可控但需要昂贵的设备。
中科院先进院医工所吴天准课题组在多年超疏液表面设计、加工和应用研究的基础上,基于“软复制工艺”提出了一种新颖简便的低成本、高通量、大面积的高性能超疏液表面制备技术,突破了超疏液表面制备的材料和工艺两个重要瓶颈。吴天准课题组先在Si或是光刻胶基底上采用微机电系统(MEMS)工艺加工出规则、精确的“T”型微结构,然后浇注弹性体材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS),得到倒“T”型结构的PDMS软印章,将多种可固化材料制成溶液浇筑到PDMS印章上并脱模,最后在成型的T型微结构上做低表面能修饰,就可以得到性能优异的超疏液表面。
由于“T”型微结构稳定耐用,而PDMS印章便于脱模且可反复使用(不少于100次),因此1个微结构便可复制出100*100即1万个相同结构、成本低廉的子模板,从而保证了性能可靠,并大幅稀释了微加工成本。其典型接触角对水和十六烷均高于150度,接触角滞后低于15度,在经过10*10次转印到PDMS、玻璃树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等可固化材料后,所获得的超疏液表面均与母版性能相当。同时,此方法也赋予了超疏液表面更多材质特性,如柔性、透明、生物兼容性等等。
超疏液表面作为超疏水表面的升级和扩展,其具有的诸多优良特性,尤其是其对任何液体的自清洁特性,在减少塑料袋白色污染、医疗器具抗菌、纺织服装、挡风玻璃、高层建筑清洁、厨房油烟、微流体设备等领域都极具应用潜力。在社会生活和生产中,基于超疏液的自清洁表面可大幅降低各类液体污染,减少流动阻力,减少液体浪费和固体表面清洗成本,在玻璃、建筑墙面、金属、户外设备上可以有效减少各类尘埃、冰雪、颗粒物的粘附,并通过雨水、冲洗就可以把它们洗干净。在生物医药行业,超疏水材料可以防止污垢、蛋白质的吸附,一些贵重液体试剂可以大幅减少损失和污染。
新材料作为七大发展战略性新兴产业的先导产业,是国民经济各行业特别是战略性新兴产业发展的重要基础,因此被列为我国“十二五”发展期间重点推进的产业之一,得到国家的鼓励和政策扶持。世界新材料市场规模估计每年将超过4000亿美元以上,中国新材料产业正处于强劲发展阶段,新材料产业约占国内生产总值的30%,预计年增长速度保持在20%以上,发展空间巨大。对任何液体都具有自清洁特性的超疏液表面,为对表面的耐沾污性有较高要求的诸多行业提供革命性的新材料,也为解决塑料等传统一次性白色污染提供激动人心的机遇,必将有广阔的发展空间。