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《PNAS》：極端條件實現(xiàn)超疏水！最新疏水理論，創(chuàng)造奇特疏水表面
《PNAS》：極端條件實現(xiàn)超疏水！最新疏水理論，創(chuàng)造奇特疏水表面
發(fā)布時間：2020-10-29 來源：
粘接傳媒（湖北）有限公司
飛機積冰是指飛機穿過含有過冷卻水滴的云雨層中，當機體表面溫度小于0℃時，機身表面積聚冰層的現(xiàn)象。其主要由云中過冷云滴或降水過程中的雨滴與機身碰撞后凍結而形成，或直接由水汽在機體表面凝華而成。目前對于飛機積冰的處理一般有2種，一是開啟防冰系統(tǒng)；二是加強積冰監(jiān)測。但是卻無法從根本上消除隱患，因此仍然是飛行者的一大心病。若是能將飛機表面同樣設計成超疏水結構，想必這個困擾許久的難題便能迎刃而解，無奈總是理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感，對于高空飛行這樣類似的極端天氣，目前很少有相關工作研究偏離標準大氣條件時對超疏水表面的抗?jié)裥阅苡绊?/strong>。對此，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Dimos Poulikakos等研究工作者結合相關物理學，發(fā)現(xiàn)了以前未曾探索的基于冷凝的穿刺機理，并有望借助新發(fā)現(xiàn)設計在極端條件下依然具有超疏水性能的材料。該工作以“Superhydrophobic surfaces for extreme environmental conditions”為題發(fā)表于《PNAS》雜志
為研究超疏水樣品在極端環(huán)境條件下對沖擊水滴的疏水性，研究人員合成了2種低表面能紋理涂層：單層粗糙度涂層、多層粗糙度涂層。圖1分別顯示環(huán)境壓力（p）為95KPa/0.1KPa下液滴撞擊多層超疏水表面的圖像，全部參數(shù)如圖1E所示，可以將水滴沖擊分為3個區(qū)域：穿刺區(qū)、總反彈區(qū)和一個過渡區(qū)，并且環(huán)境壓力對結果影響最大。
圖1 不同大氣條件下，液滴撞擊具有多層表面結構的超疏水表面
為探索不同的刺穿機制，文章使用倒置顯微鏡和高速攝像機觀察撞擊過程中液滴-表面的相互作用。圖2為水滴撞擊單層超疏水表面擴散和反沖的圖像（A：大氣壓/適度潮濕；B：中等真空/干燥；C：中等真空/潮濕）：3個不同環(huán)境條件下分別發(fā)生部分刺穿、液滴反彈與液滴刺穿，這2種情況的區(qū)別在于，在刺穿情況下，液滴彎月面穿透表面的環(huán)形區(qū)域更后暗，表明有更多的空氣被排出。
圖2 低速沖擊圖像
低壓低濕度下的穿刺機理
先前的工作提出的機理是水錘效應和撞擊前液滴下方壓力積累導致的液滴曲率增加。對于前者，中間空氣層的存在可能減弱撞擊時形成的任何沖擊，而對于后者，去除空氣層可以抑制液滴變形并防止刺穿，在減壓下刺穿的可能性增加，但是并沒有得到證實。為了闡明穿刺嚴重程度增加與環(huán)境壓力降低之間的關系，圖3顯示，不同環(huán)境壓力（p）下水滴沖擊形成的凹痕深度不同，且差異非常明顯，因此驗證上述猜測。
圖3 基于壓力的穿刺機理分析
機理在手，辦法全有
新機制的發(fā)現(xiàn)也為研究人員設計超疏水表面成為可能。研究人員在透明聚氨酯丙烯酸酯（PUA）微柱上噴涂含有疏水氣相二氧化硅納米粒子(HFS)的乙醇溶液，得到不影響微紋理整體形貌的均勻亞微米特征層，圖4A顯示，在中等真空/干燥條件下，液滴完全反彈，表明添加納米紋理有助于減輕基于壓力的影響；而在中等真空/潮濕條件下時（圖4B），結果相似，證明該納米結構有助于限制刺穿，實現(xiàn)超疏水。
圖4 PUA微柱沖擊圖像
結論
文章闡明了在明顯偏離標準大氣條件環(huán)境下，液滴撞擊超疏水表面的刺穿失效機制，確定低環(huán)境壓力（P）時空氣層的可壓縮性導致沖擊時夾帶的空氣量減少，從而導致液滴和水錘效應引起的壓力（PWH）的緩沖減少，足以克服低韋伯數(shù)(We,慣性力和表面張力的比值)下的毛細壓力。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的基于冷凝的撞擊機制，該機制是在高水蒸氣分壓(pv)環(huán)境中，由于撞擊前空氣層的壓縮和過飽和造成。
文章亮點與意義
盡管空氣在賦予材料表面超水性性能上起著關鍵作用，但很少考慮大氣成分如何影響材料表面排斥撞擊液滴的能力。文章發(fā)現(xiàn)，壓力降低和濕度增加的環(huán)境條件都會顯著降低上述性能；并通過撞擊前對液滴下的壓縮空氣層進行熱力學建模，揭示了一個從未報道的源于“紋理內凝結”產生的表面破壞機制；以理論基礎為向導，證明添加適當比例的納米結構，有利于減輕極端環(huán)境條件下的不利影響，并期待這種新性質用于交通運輸?shù)仍O施應用，將疏水性能從標準大氣條件下擴展到極端環(huán)境。
來源：高分子科技前沿