單層原子材料在電壓作用下可以改變表面結(jié)構(gòu)從而改變潤(rùn)濕性質(zhì)。

    當(dāng)雨落在荷葉上時(shí)，荷葉不會(huì)被打濕。這是因?yàn)楹扇~有特殊的結(jié)構(gòu)，水滴滾落而不會(huì)潤(rùn)濕葉面。人造材料也可以是疏水的。但是，想要造出一種材料，讓它的表面可以在親水和疏水兩個(gè)狀態(tài)間切換卻極為不易。現(xiàn)在，奧地利維也納科技大學(xué)、比利時(shí)魯汶大學(xué)和瑞士蘇黎世大學(xué)的研究人員可以成功地操縱單層氮化硼材料，使其潤(rùn)濕和附著能力在高低之間來(lái)回切換。

    “材料表面最有意思的物理特性就是它的靜摩擦力，”維也納科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所和魯汶大學(xué)的研究員 Stijn Mertens 表示，“如果材料表面上物體要滑落的話(huà)，必須要克服這種靜摩擦力。”材料表面的納米結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了靜摩擦力的大小：材料表面和其他物體（如液滴）的接觸細(xì)節(jié)取決于其原子排列的幾何規(guī)律以及其他性質(zhì)。而這對(duì)附著、靜摩擦力和潤(rùn)濕來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。但是此前，靜摩擦力和潤(rùn)濕之間的關(guān)系極少為人所知。

    “就像由單層碳原子構(gòu)成的石墨烯材料一樣，我們的氮化硼材料由等量的氮原子和硼原子構(gòu)成，其厚度也是單層原子。” 蘇黎世大學(xué)物理研究所的 Thomas Greber 表示。這層超薄材料可以生長(zhǎng)在銠單晶上。

    銠單晶表面的原子以及氮化硼里的原子均形成了一個(gè)邊角形結(jié)構(gòu)。不過(guò)兩種材料各自的原子間距是不同的。氮化硼中13個(gè)原子所占體積和12個(gè)銠原子所占體積相同，如此一來(lái)兩種晶體無(wú)法完全契合。由于這種不匹配，氮化硼六角形必然會(huì)彎折，形成了一種波長(zhǎng)為3.2納米、高度為0.1納米的靜止波浪。

    Stijn Mertens 表示，“正是這種二維納米波影響了水對(duì)表面的潤(rùn)濕。”此外，氮化硼的超結(jié)構(gòu)可由一個(gè)簡(jiǎn)單的方法撫平：浸沒(méi)到酸液里然后施加電壓，氫原子在單層氮化硼下面運(yùn)動(dòng)，會(huì)改變氮原子和銠原子間的化學(xué)鍵。這個(gè)過(guò)程能把氮化硼撫平。

    這樣，水滴在材料表面的附著能力就會(huì)立刻發(fā)生巨大的變化，即便水滴比氮化硼的微小波浪結(jié)構(gòu)大100000倍。減小電壓，這個(gè)效應(yīng)就會(huì)反轉(zhuǎn)。Stijn Mertens 解釋道，“我們可以讓材料表面在兩個(gè)狀態(tài)間反復(fù)切換。”

    為了在施加電壓的同時(shí)研究材料表面的潤(rùn)濕性能，研究人員專(zhuān)門(mén)搭建了一種儀器。液滴通過(guò)一個(gè)極細(xì)的玻璃管被滴到材料表面。液滴可變大變小，同時(shí)它的形狀被記錄了下來(lái)。液滴是扁平還是滾圓，取決于材料表面的性質(zhì)。

    可在親水和疏水狀態(tài)間切換的材料概念已經(jīng)出現(xiàn)了一段時(shí)間了。比如，當(dāng)某種色光照射時(shí)，一些有機(jī)分子的形狀會(huì)發(fā)生變化，人們把這種分子制成了材料表面。但是，這種分子比這篇文章中描述的材料更加復(fù)雜易碎。

    “我們的表面僅由單層原子構(gòu)成，它是完全無(wú)機(jī)的，即使我們把它在真空中加熱到1000°C時(shí)也不會(huì)發(fā)生變化，” Stijn Mertens and Thomas Greber 表示，“這意味著這種材料也可以用于有機(jī)分子容易遭到破壞的場(chǎng)合，無(wú)論是日常生活還是太空旅行。”