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福州大学赖跃坤教授团队:超浸润材料表面液滴运动在能源与环境领域应用研究进展
2018-12-27 来源:中国流变网    点击次数:354次    

  近年来,超浸润材料表面液滴的运动性能受到研究人员广泛关注。目前有关液滴运动性能的研究主要集中在三个方面,液滴的垂直运动(包括冷凝微滴自下而上的自驱离以及液滴自上而下的撞击)、液滴的水平运输(包括液滴在一维、二维或者三维表面的运输)、液滴的界面渗透(包括油水选择性渗透以及单一的水滴渗透),三方面的研究对于材料表面的强化传热、防污自清洁、疏冰抗结冰、雾水收集和油水分离等能源与环境应用领域具有重要意义。

  近年来,福州大学石油化工学院、苏州大学现代丝绸国家工程实验室赖跃坤教授团队致力在超浸润材料表面液滴运动性能研究 Adv. Mater. 2009, 21(37), 3799-3803; Adv. Mater. 2013, 25(12), 1682-1686; Adv. Funct. Mater. 2018, 28(19), 1707415; Small 2017, 13(4), 1600687; Small 2016, 12(16), 2203-2224; J. Mater. Chem. A 2016, 4(31), 12179-12187; J. Mater. Chem. A 2015, 3(6), 2825-2832; Nanoscale Horiz. 2018, 3(3), 235-260. 

  近日,现福州大学石油化工学院赖跃坤教授结合自己的研究工作与新加坡南洋理工大学Chen Zhong教授,以及宾夕法尼亚大学Yang Shu教授合作系统总结了近年来特殊浸润性表面液滴运动性能在能源与环境方面的研究进展,该工作论文以“Liquid mobility on superwettable surfaces for applications in energy and the environment”为题发表在《Journal Materials of Chemistry A》2019年第一期上。论文的第一作者为苏州大学2016级博士研究生张松楠同学和福州大学黄剑莹副教授,通讯作者为福州大学赖跃坤教授

  该论文首先回顾了浸润性理论研究的发展历程,总结并归纳了Young, Wenzel, Cassie, Rosano等经典理论模型的特点,结合近十几年来仿生浸润性相关理论研究,重点解释了蜘蛛丝、仙人掌刺、猪笼草、蝴蝶、甲壳虫等具有特殊结构表面液滴运动性能的特点及相关机理。

  随后,文章对现如今超浸润材料表面液滴运动性能的研究进行了详细的分类和阐述,将现有研究成果分为垂直运动、水平运输和界面渗透三方面,详细分析了各个研究方面液滴运动性能的影响因素。垂直运动方面,现有研究主要包括了冷凝液滴自下而上的自驱离运动和液滴自上而下的撞击行为。有关冷凝液滴自驱离运动的研究,材料表面的结构、粗糙度、浸润性以及超疏水的持久性对于强化液滴的自驱离行为至关重要。有关液滴撞击行为,研究认为其主要经历液滴撞击铺展和反冲回弹两个阶段,其中如何控制并缩短液滴与基底的接触时间,需要合理调控材料表面的结构、粗糙度以及浸润性。而对于高温基底,材料表面气垫的产生以及材料的不同取向性对于研究其表面传热性能优良意义深远。水平运输方面,文章主要介绍了不同维度材料液滴的运输性能。对于不同维度材料表面来讲,如何制备具有结构梯度,浸润梯度、化学梯度的材料,对于强化材料表面液滴的运输行为至关重要。界面渗透方面,文章重点介绍了油水选择性渗透以及单一的水渗透。有关油水选择性渗透行为的研究,目前主要聚焦于超疏水超亲油,超亲水超疏油,超亲水水下疏油,应激浸润性响应等材料的研究,而对于不同密度的油与水进行选择性渗透时,需要综合运用不同的浸润性材料进行结合。有关单一的水渗透行为的研究,需要充分利用不同材料的不同渗透性制备Janus材料,进而提高水滴的渗透速率。

  垂直运动、水平运输和界面渗透,三方面的研究对于材料的传热强化,防污自清洁,抗结冰,雾水收集,油水分离具有重要的研究意义,因此,文末详细介绍了这三方面的研究内容对于能源环境领域的应用意义,并讨论了现如今所存在的问题及有关未来的研究展望。

  上述工作得到了国家自然科学基金、福建闽江学者特聘教授计划项目、江苏省高等教育研究机构优势学科项目、江苏省研究生科研与实践创新计划项目的资助,同时张松楠感谢国家留学基金委的财政资助。

  论文链接:

  Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(1), 38-63. 

  DOI: 10.1039/c8ta09403a

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta09403a

 
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