分析苏州纳米所冷凝微滴自驱离纳米仿生界面生物原型、机理及构筑原则

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所高雪峰研究员课题组聚焦冷凝微滴自驱离纳米仿生界面的设计、制备、性能调控及潜在应用展开了一系列探索。受蝉翼及弹射孢子表面冷凝液滴融合自去除原理启发，他们首先仿制了聚合物纳米乳突及纳米锥阵列结构（Chem. Commun.2012, 48, 11322；ACS Appl. Mater. Interfaces2012, 4, 5678；Small2014, 10, 2578），冷凝动力学研究显示：聚合物纳米乳突顶部尖锐化是确保冷凝微滴融合自去除的关键（Adv. Mater. Interfaces 2015,2, 1500238）。随后，他们提出材料表面原位生长密排列准直纳米针可实现小尺度冷凝微滴高效自弹射去除的策略，实验与理论结合揭示了纳米结构表面极低的固液黏附是确保冷凝微滴利用自身融合释放的微弱过剩表面能实现自弹射去除的机理（J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2084）。在此基础上，提出了功能界面构筑单元的设计原理：特征间距在亚微米尺度以避免水汽侵入；控制足够的高度或深度避免悬浮液桥接触结构底部；采用离散突起形貌降低固-液界面黏附以实现冷凝微滴自弹射去除。遵循这一原理，先后设计制备了多种纳米针锥构型（ACS Appl. Mater. Interfaces2014, 6, 8976；ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 10660；Adv. Mater. Interfaces2016, 3, 1600362；ChemNanoMat2016, 2, 1018）、纳米粒子多孔构型（Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 4876）以及纳米棒-孔复合构型（ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 18206；ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 11079），经低表面能化学修饰后都具有优异的冷凝微滴自弹射去除功能。

初步研究显示：冷凝微滴自驱离纳米仿生界面与微热辅助技术相结合，可实现表面持续无霜（ACS Appl. Mater. Interfaces2014, 6, 8976），这一创新策略将有助于研制更节能的空调/热泵换热器。这种仿生界面还具有优异的过冷水不沾功能，是一种理想的节能技术，可用于飞行器机翼防冻雨结冰（ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 26391）。此外，这种仿生界面比普通金属表面有更高效的冷凝传热性能（ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 11719；ACS Appl. Mater. Interfaces2015,7,10660），相关知识创新将有助于设计开发性能更卓越的传热传质界面材料与热控器件。

最近，受《先进材料》杂志约稿，他们对冷凝微滴自驱离纳米仿生界面最新研究进展进行了专题报道及评述（Adv. Mater. 2017, 29, 1703002, DOI: 10.1002/adma.201703002），文章涉及功能界面的生物原型、机理及构筑原则、金属基功能界面的制备方法及其在能源相关应用领域的最新进展；最后，文章还总结了该研究领域目前存在的挑战及未来发展趋势，尤其如何利用其它仿生策略来设计开发性能更卓越的冷凝微滴自驱离功能界面。  

上述工作得到科技部、基金委、中科院、江苏省等项目支持。

 

图1.冷凝微滴自驱离功能界面的生物原型。(a-b)荷叶表面低黏超疏水特性在冷凝环境下失效，冷凝微滴牢牢粘附在表面。(c-e)具有水汽不沾功能的蚊眼表面。 (f)具有冷凝微滴融合自去除功能的蝉翼表面。(g)弹射孢子利用冷凝微滴融合自弹射去除的模型图。  

 

图2.冷凝微滴自驱离纳米仿生界面构筑原则。(a-d) 纳米结构表面冷凝微滴融合自弹射去除的原理图。(e)构筑单元设计三原则。(f-g) 材料表面原位生长密排列准直纳米针实现冷凝微滴自弹射去除的策略。  

 

图3.纳米仿生界面节能应用探索：(a,b)空调换热器除露防霜的需求及功能界面效果演示。(c,d) 机翼防冻雨结冰的需求及功能界面效果演示。

 

图4. 纳米仿生界面强化传热探索。(a,b)棱状纳米针簇结构SEM图。(c)光学图显示了纳米表面相比光滑疏水表面具有非凡的小尺度冷凝微滴高效自更新功能。(d-f)纳米结构表面高密度冷凝核化机理的模型图。(g,h)针簇内冷凝液滴自输运-自膨胀生长模式。(i,j) 针簇顶部汇聚处的冷凝液滴自膨胀生长模式。(k) 冷凝液滴融合自弹射去除的模型图。(l) 纳米样品与铜表面滴状冷凝传热系数对比。