中科院理化所王树涛、孟靖昕研究员团队《Adv. Mater.》：受潜水蜘蛛启发，利用补气策略实现纳米纤维涂层的长效抗垢

2023-01-24 来源：高分子科技

超疏水表面(一般是水下超亲气表面)，在多个关键领域受到了广泛的关注，如物质运输、耐磨损、电化学反应、膜淡化以及防污等。其中，超疏水表面存储的空气以不同的方式发挥着关键作用: 主动参与和被动防护。例如，氧气可作为参与者，使三相电极具有较高的酶检测灵敏度和准确性。相比之下，气膜也可作为防护层阻挡固体基底与盐溶液的直接接触，展示出优异的抗结垢性能。然而，存储的空气常常会在剧烈的水下条件（如高温、高流速）逐渐消失，使得这些超疏水材料的抗结垢能力只能保持较短的时间。因此，为延长超疏水材料特殊功能和使用寿命，急需寻找稳定水下气膜的策略和方法。

潜水蜘蛛是一种独特的动物，它通常会在水生植物中织网形成储存气体的潜水钟，用于进行长期的水下呼吸。在严重缺氧的水中，潜水钟内的空气仍需周期性的从外部环境中补充（图1a）。近日，中科院理化技术研究所王树涛、孟靖昕研究员团队，受潜水蜘蛛补气过程启发，制备了一种具有水下超亲气的仿生纳米纤维涂层（图1b），该涂层展示了长达30天的动态高效抗垢能力（约98%）。由于外界恶劣环境会加速空气交换，涂层上的气膜不可避免地会流失。因此通过在适当的条件下补充空气，气膜可以作为抑制界面成核和结垢的稳定屏障，表现出高效、持续的阻垢能力。因此，这种空气补充策略可能为长期防垢材料提供新的途径。该研究以“Water Spider-Inspired Nanofiber Coating with Sustainable Scale Repellency via Air-Replenishing Strategy”为题发表在最新一期的《Advanced Materials》上（doi.org/10.1002/adma.202209796）

图1：受水蜘蛛启发的纳米纤维涂层具有良好的可持续防垢性能

图2.气泡在基底上的三种浸润状态：全覆盖、部分覆盖和较少覆盖

图3. 流速对水下气膜稳定性的影响

由于外界因素（流速、温度）的影响，基底上的气膜展示出了不同浸润状态（图2）。其中，随着水下浸没时间的增加，涂层表面气膜会经历三种浸润状态：从全覆盖、部分覆盖到较少覆盖的逐渐损失。作者利用浸润性、粘附力和荧光分别表征了这三种状态。结果表明在适当的条件下补充空气，可以保持纳米纤维涂层上气膜的稳定性。利用空气在水下独特的折射率，作者定性地表征了水下气层的稳定性。结果表明随着流速的增加，气层损失越快。根据临界反射率，得到了不同流速下补气的间隔时间。进一步地，根据合适的补气间隔和体积，可实现动态条件下气层的稳定（图3）。

图4. 气膜介导的涂层的抗垢机理：提高成核能垒，抑制界面成核，降低界面黏附

当基底处于矿物溶液中，会发生两种现象：界面成核和界面粘附。作者通过理论计算说明了气膜的存在会提高成核的能垒，抑制晶体异相成核，并能降低水垢与基底的粘附（图4）。

图5. 气膜介导的涂层具有良好的抗垢性能以及对于不同基底、不同无机垢的普适性

通过补气策略稳定气层，实现了长期高效的动态抗垢性能。经过30天动态结垢试验，稳定气膜的涂层上CaCO₃垢沉积的质量仅为约0.57±0.04 mg/cm²，远低于气膜逐渐消失的涂层（34.78±2.88 mg/cm²）和原始PVC涂层（56.63±2.36 mg/cm²）。同时，对于不同基底、不同类型的水垢，该策略均能实现良好的抗垢效果，说明该策略具有普适性。综合近年来报道的气膜介导的抗垢研究，稳定气膜的涂层具有高效的抗垢性能（约98%）和较长的使用寿命（30天）。这些结果表明，受水蜘蛛启发的纳米纤维涂层提供了一种持久和通用的防垢策略（图5）。

该论文第一作者为中科院理化所博士生王仪萱，通讯作者为中科院理化技术研究所的王树涛、孟靖昕研究员。该研究得到国家自然科学基金委支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202209796

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（责任编辑：xu）

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