【引言】

    具有超級浸潤性（超疏水/油 或 超親水/油）的界面材料在現實世界中解決了諸多問題，如溢油清理、表面防霧、防腐蝕等。在文人眼中，荷的出淤泥而不染是高潔的；在理工人眼中，荷的高潔則是大自然贈予人類寶貴的教科書——超疏水材料的問世正式基于對荷葉的仿生。自然界種種“自然而然”的現象總能教會勇于探索的人類許多知識。樹上掉落的蘋果引發了牛頓的思考，而荷葉在水面的漂浮，也引起了科研人員的探索熱情。荷葉正是將超疏水性和超親水性完美結合的產物，其具有兩種超浸潤特性（上表面超疏水，下表面超親水）使得荷葉能夠穩定漂浮在水面上。如果人們將超親水和超疏水結合起來，又會碰撞出怎樣的火花？

    【成果簡介】

    近日，天津大學曹墨源副教授和北京航空航天大學及中科院理化所江雷院士（共同通訊作者）等人在期刊Advanced Functional Materials上以“Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf”為題報道了一種非對稱的具有兩面超浸潤性的界面材料。作者學習荷葉，制備出上表面超疏水下表面超親水的銅片，作者稱之為“Janus銅片”（即兩面神銅片）。這種Janus銅片能夠穩定的“固定”在空氣/水界面上，表現出穩定的界面漂浮性。與同樣能夠漂浮的超疏水基片相比，Janus銅片不僅能夠漂浮，甚至能夠如固定一般附著在空氣/水界面上；同時在諸如己烷-水和CCl4-水等多相界面上表現出相似的性質。Janus銅片具有顯著增強的穩定性和抗旋轉特性，能夠像船只一般具有水面航行能力，即使是在湍急的水流中；也能抵御強風，甚至征服“瀑布”。這一發現為Janus界面材料找到了新的突破，也擴展了具有超浸潤性的兩性材料的應用范圍。

    圖1 荷葉在水面的穩定漂浮性和抗翻轉特性

    a，具有Janus浸潤性的漂浮的荷葉，其上表面為超疏水而下表面為超親水。

    b，反著放置的小片荷葉（親水面向上）能夠隨著水的晃動而恢復（親水面向下）。更重要的是，荷葉恢復后若持續晃動水面，荷葉葉片不會再次顛倒（即親水面始終向下），這表明這種Janus浸潤特性使得其具有了抗翻轉能力。

    圖2 Janus銅片不同表面的超級浸潤性

    a，Janus銅片制備示意圖。修飾后超親水的銅片一面與疏水的烷基硫醇溶液反應，另一面則用水保護。

    b，制備好的Janus銅片，超疏水的一面是十二烷基修飾的Cu（OH）2微納結構，另一面是原始超親水的Cu（OH）2納米針覆蓋的表面。

    c,d，超疏水表面（c）和超親水表面（d）的SEM照片展示了其不同的形貌。

    e,f, 接觸角實驗顯示Janus銅片存在典型的超級浸潤性，也即（e）超疏水性和水下超親油性，（f）超親水性和水下超疏油性。

    圖3 微平衡系統測量空氣/水界與樣品片間相互作用力測量及作用過程機理

    a，DSHB片壓在界面上時能夠產生空氣阱，產生較大的排斥力約4.5mN。然而當樣品片被拉出水表面時沒有觀察到液體橋，有著較低的粘附力（約1.73mN）。

    b，相反的DSHL片沒有產生空氣阱但存在了液體橋，表明產生了較大的粘附力（約4.15mN）。在全部測試之后，DSHL片上表面存在一薄層水，導致了基線的偏差。

    c，在對測試Janus銅片過程中，出現了空氣阱和液體橋，排斥和粘附力都超過了4mN。Janus銅片有著與DSHB片類似的排斥力以及與DSHL片相似的粘附力。

    DSHB：double-sided superhydrophobic，雙面超疏水；  DSHL：double-sided superhydrophilic ，雙面超親水。

    圖4 多項界面中的界面穩定性三相體系分別由己烷（上，透明），水（中，甲基藍染色），CCl4（下，油紅染色）。

    a，DSHB片只能在己烷/水界面處。

    b，DSHL片傾向于停留在水/CCl4界面處。

    c，有著恰當的表面取向，Janus銅片能夠在兩個界面處，表現出獨特的界面穩定性。這一過程中，表面浸潤性決定了浸漬液體的類型進而影響固液相互作用。

    圖5，DSHB和Janus微片的防風測試。

    a，防風試驗的說明。在距離覆蓋有微片的水的表面10cm處，以接近45°角吹風。

    b，在DSHB和Janus片周圍空氣氣流的不同流動路徑。空氣流能夠從下方通過DSHB和水表面的空氣“氣墊”，導致在風中DSHB的不穩定。相反的，空氣只能從Janus片的上通過，因為下表面的超親水性能夠使銅片緊緊的與水表面附著。

    c,d，漂浮的DSHB片部分被風吹走（c），而Janus微片經歷風吹后能夠穩的停留在水面（d）。

    圖6，樣品片在水面上的抗轉動性測試

    a,b，利用改良的微平衡系統來測試樣品片的抗翻轉能力。樣品片固定在可轉動的棒上并漂浮在水面上。微平衡系統持續記錄反饋得到的排斥力，每個樣品的力曲線在（b）中顯示。Janus片表現出顯著的高抗轉動性，排斥力高達2.6mN，Janus片排斥力分別是DSHL片和DSHB片的2倍和3倍。

    c，詳細的轉動過程通過高速錄像機記錄。具有空氣阱和液體橋是Janus片高抗轉動性的原因。相比之下，DSHB和DSHL片只能有利用其中一種性質來使其在界面穩定。

    圖7， Janus微型船的瀑布漂流之旅制造微型船用來模擬Janus材料在真實世界中的應用。人造“瀑布”用來模擬船只航中的惡劣極端環境。DSHB片制造的微型船作為對照組與Janus材料進行對照。

    a，DSHB微型船在從“瀑布”上航行時失去了平衡，這是由于缺少與水表面的粘附力。

    b，有了下表面超親水特性的幫助，Janus微型船能夠有效的吸附在“瀑布”表面，并在整個滑落過程中保持穩定航行。

    【小結】

    作者從自然中學習，巧妙地將利用超親水和超疏水特性結合，制備出具有兩面浸潤特性的Janus銅片，能夠像荷葉一樣穩定的漂浮在空氣/水界面，以及油/水界面上。此外，Janus銅片的雙面非對稱浸潤性（上表面超疏水性和下表面超親水性）使其能夠抗扭轉、御強風、征服瀑布。這位Janus材料在現實世界中的應用提供了新思路。

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責任編輯：殷鵬飛

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