【發(fā)現(xiàn)】一種生物啟發(fā)的透明水下超疏油和防油表面

克呂士儀器 2021-04-22 15:32:37 576  瀏覽

• 在自然界中，骷髏花（Diphylleia grayi）的花瓣在雨中從白色變成透明，如圖1所示。在空氣中，骷髏花的花瓣似乎呈現(xiàn)白色，這顏色不是來自天然的白色顏料，而是源于植物花瓣高度疏松的細胞結(jié)構(gòu)。花瓣的內(nèi)部包括許多薄薄的空隙和充滿空氣的細胞間隙。在晴天，在捕獲的空氣與無色細胞液之間的界面上發(fā)生漫反射，從而使花瓣呈白色。然而在雨中，水可以進入空隙和細胞間空間。原來的氣-液（氣-細胞液）界面被液-液（水-細胞液）界面代替。由于細胞液和水具有相同的折射率，因此光的透射率顯著增加。結(jié)果，花瓣顯得透明。這種有趣的現(xiàn)象啟發(fā)研究團隊獲得了一種提高粗糙界面透明度的新穎策略，即粗糙微觀結(jié)構(gòu)的空隙可以充滿水。

  圖1. 骷髏花的花瓣 （a）晴天 （b）雨天

  西安交通大學(xué)陳烽團隊研究了一種具有水下超疏油性和透明的粗糙硅玻璃板。圖2展示了飛秒激光燒蝕后的硅玻璃表面的照片及SEM圖。他們使用飛秒激光燒蝕方法在硅玻璃表面上形成了一層不規(guī)則的納米顆粒，一些顆粒堆疊形成一些無規(guī)則排列孔洞和凹槽。飛秒激光在硅玻璃上在其表面形成了高溫和高壓的等離子體，隨著等離子體膨脹并爆發(fā)出的過程，被燒蝕的材料被從表面去除。然而，由于高溫，噴射的顆粒處于熔融狀態(tài)，當這些噴出的顆粒落在表面上并立即冷卻時，它們會粘在石英玻璃基板上。

  圖2. （a）硅玻璃表面2×2 cm² 

  （b-d）微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像

  當將處理后的表面放入水中，樣品的潤濕狀態(tài)將從在空氣中的超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)換為在水中的超疏油狀態(tài)。圖3展示了油滴在水中表面保持為一個近乎圓形的形狀，接觸角為160.2°±1°，并且油滴很容易滾動，其滾動角小于1°。如此小的滾動角這也揭示了飛秒激光燒蝕處理的表面同樣也具備超低的油滴粘附力。

  圖3. 飛秒激光燒蝕處理的表面的潤濕狀態(tài) 

  （a）未處理玻璃在水中的油滴接觸角 

  （b） 未處理玻璃在空氣中的水接觸角 

  （c）飛秒激光燒蝕處理的表面在水中的油滴接觸角 

  （d）油滴滾動角

  粗糙的硅玻璃表面的透光率在空氣中與水相不同。飛秒激光燒蝕的硅玻璃在空氣中呈現(xiàn)白色，這是接近于白色的骷髏花花瓣的顏色（圖1a）。將準備好的樣品放在空氣環(huán)境中，覆蓋在帶有黑色字母的紙上時中，可以看到后面的字母霧蒙蒙的（圖4a）。如果有油滴（用蘇丹紅染色后）與激光燒蝕區(qū)域接觸，油滴迅速散開，如圖4a所示。相反，將樣品放入水中后字母“XJTU”變得非常清晰（圖4b）。染色的油滴始終在小球上保留為小球。

  圖4 處理后硅玻璃表面蓋在紙上的圖像 

  （a）在空氣中 （b）在水中

  一種通過飛秒激光燒蝕一步合成在水下透明的超疏油硅玻璃表面被開發(fā)出來，這種高的透明表面處理來源于自然界骷髏花的啟發(fā)。這些材料可用于水下的光學(xué)應(yīng)用，例如潛水護目鏡，防油的水下照相機鏡頭等。

  參考文獻：

  [1] J. L. Yong, F. Chen, Q. Yang, et al., Bioinspired transparent underwater superoleophobic and anti-oil surfaces, J. Mater. Chem. A, 2015,3, 9379-9384.