吉林大学汪大洋教授团队 AFM：依赖于表面极性基团分子堆积密度的可调控的自清洁涂层
2023-05-23 来源：高分子科技
表面极性基团自身的水合能力以及其与最近的非极性基团具有各向同性的分子构型是赋予纳米级光滑的亲水表面自清洁功能的两个先决条件。然而，表面极性基团的分子堆积密度的定量调节可以控制满足先决条件的表面极性基团强而持久的水合能力与其宏观亲水性间的转换。由分子堆积密度接近0.9的极性基团构筑的超亲水表面可以实现多种自清洁功能（从防雾到防冰、抗油脂、抗污渍、抗涂鸦以及抗蜡粘附）。
）以及质量定义的分子堆积密度（
）与表面自清洁性能关系的分子作用机制模型。当表面磺酸根基团紧密排列（分子堆积密度值接近0.9——二维紧密堆积的球体所期望达到的最大堆积密度）时，PVS涂层能够有效地吸附周围环境中的水分子，形成完整的氢键网络，进而完全屏蔽表面非极性部分对表面水合作用的不良贡献（图2）。这不仅有助于PVS表面在空气中被水充分浸润，还有助于在水作用下轻松去除其表面的冰、油脂和蜡的粘附。从而使该涂层能够实现几乎所有的（从防雾到防冰、抗油脂、抗污渍、抗涂鸦以及抗结蜡）自清洁功能（图4），这是目前文献报道的其他超亲水性表面很难实现的。此外，调控表面磺酸根的分子堆积密度可以实现表面不同的自清洁功能（图5）。防雾功能的实现需要表面磺酸根的浸润性定义的分子堆积密度大于0.85，抗油脂功能则要求表面磺酸根基团的分子堆积密度高于二维球体随机堆积的最大密度（0.67）。而防冰和抗结蜡功能由于对表面存在的非极性部分的敏感性，要求表面磺酸根基团的分子堆积密度接近0.9。该工作以“A Simple Poly(Vinyl Sulfonate) Coating for All-Purpose, Self-Cleaning Applications: Molecular Packing Density–Defifined Surface Superhydrophilicity”为题发表在 《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2301085）。文章第一作者是吉林大学博士生王蓉。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图1 在聚电解质多层膜表面构筑PVS表面的示意图
图 2 不同表面的水合作用强弱及其分子作用机制
图3 磺酸根亲水表面的浸润性定义（
）以及质量定义（
）的分子堆积密度
）以及质量定义（）的分子堆积密度
图4 不同分子堆积密度的磺酸根表面多用途的自清洁功能
图5 表面亲水性以及自清洁性能对表面极性基团的分子堆积密度的依赖性
该工作是汪大洋团队近期关于从分子水平设计并调控表面浸润行为的最新进展之一。在过去的几年中，该团队利用具有各向同性以及各向异性的分子构型的不同聚合物表面观察并解释了表面重构对表面亲水性的影响（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4851），构筑了基团自身水合能力以及分子构型与表面亲水性的分子浸润理论模型（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9053）（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14466），并利用该模型指导并设计自清洁功能表面，推动了浸润技术的应用与发展。该工作揭示了第三个分子设计标准——表面极性基团分子堆积密度与表面浸润性的敏感依赖性，通过定量调节有机极性表面的亲水性以满足不同自清洁应用的要求。总之，以表面极性基团的稳定且持久的水合作用以及接近0.9的分子堆积密度的分子设计准则帮助我们构筑无需精心设计的表面纳米结构的超亲水表面，并且利用简单的聚电解质（如PVS）作为涂层材料，可以实现多种自清洁功能。介于各种简单的自动化技术（如喷涂、旋涂等）便可以实现工业规模的静电沉积，目前的PVS涂层具有巨大的应用前景，特别是在需要结合几种自清洁功能以解决技术问题时，例如外科手术期间体内的内窥镜成像。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301085
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（责任编辑：xu）
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