来源:我是科学家iScientist 

  如果你仔细观察过荷叶上的水珠,就会发现圆滚滚的水珠向四面逃窜,生怕被捕捉到似的,半点驻足都没有。水珠能在荷叶上如此“丝滑”,是因为荷叶是超疏水材料

 荷叶表面的微米-纳米乳突结构

  受到荷叶表面微观形貌和化学成分的启发,科学家们总结出了制造超疏水表面的一般法则:一是需要在材料表面构建微米-纳米级微小粗糙结构,如同荷叶表面的乳突状结构一样;二是需要材料表面有较低的表面能,固体物质的表面能越低,疏水性就越好,因此需要尽量降低表面能。从这两点出发,近二十年来,人工制造的超疏水材料得到迅速发展,甚至部分产品已经投入了市场进行商用。

人工超疏水表面在自清洁方面的应用

  自清洁材料,本身却不清洁

  然而,微小粗糙结构和低表面能这两个必要条件,却也成为超疏水材料的软肋,阻碍了它的实际应用。首先,材料表面的微小结构是相当脆弱的,很容易在日常磨损中被破坏,这就要求材料本身具有更高的强度。

  近年来关于超疏水材料的前沿研究,大部分都是朝着材料“更硬、更强、更韧”的方向努力。但更高的强度会导致材料难以降解,用于构成粗糙结构的纳米颗粒也难以回收。

  同时,为了降低表面能,需要使用大量对环境和人体危害极大的低表面能改性剂,这些都会造成环境污染问题。超疏水材料的优势特性之一,是材料具有自清洁性能,可以保护表面不受污染,降低维护成本,达到降低能源和资源损耗的目的。然而,制作它所带来的环境问题却违背了这一初衷。

  因此,在高强度的超疏水材料大规模投入市场之前,我们或许需要先考虑如何解决这些材料在制备、使用以及废弃后的各个环节所带来的环境污染问题

  “绿化”超疏水材料

  实际上,在解决超疏水材料所带来的环境污染问题方面,材料科学家们也提出了一些可能的策略,比如用可生物降解的塑料制备超疏水材料。提出这一策略的出发点是好的,具体应用却可能产生问题。这些可生物降解的塑料在单独使用时或许能够满足环保要求,但是在超疏水材料中,这些材料并非单独使用,为了得到疏水性,还需要使用改性剂进行表面改性,以及加入大量的颗粒来得到粗糙结构,这就导致这些塑料基体虽然本身可以降解,但在降解过程中却也把其他有毒的化学物质及纳米颗粒释放到了周围环境中。因此,这类为环保而生的可降解塑料并不适用于制备超疏水材料,能解决污染问题的新方法仍待发掘。

以生物质材料制备成的超疏水涂层

  近年来,科学家们研发了一些在特殊化学环境下可快速降解,并且可以高效回收的高强度塑料,这成为可降解、可回收塑料体系的又一分支。其中,2014年Garcia, J。等人发现了一种在酸性条件下可降解、可回收的热固性聚合物聚六氢三嗪(PHT),这种聚合物兼具高强度和可降解、可回收等性能。受这种材料的启发,2021年5月,兰州大学门学虎团队、中科院兰州化学物理研究所张招柱团队,以及英国玛丽女王大学陆遥团队通过合作,提出将PHT与疏水颗粒结合,用该策略实现超疏水材料在制备、使用和废弃后处理等各个环节的绿色无污染。

将PHT与疏水颗粒结合,提出可降解、可回收超疏水材料的设计思路

  不同于前人的方法,门学虎团队在这一工作中用水相反应制备PHT纳米颗粒,以便与经过表面改性的各类疏水颗粒均匀混合。混合后的粉末通过热压方法制备出致密的块体材料,其表面经过简单的打磨与刻蚀处理后,具有了像荷叶表面一样的粗糙结构以及超疏水性。超疏水材料的制备完全在水相体系中,避免了有机溶剂污染

  相较于已有的超疏水材料降解、回收途径,通过这一方法制备出的材料基体可以在酸性环境中快速降解,降解液中包含的小分子可进行回收,而疏水颗粒也可通过简单的过滤进行回收,并再次用于制备材料。这种降解与回收方式,避免了白色污染,原料的回收效率在90%以上,资源利用率大大提高,同时,颗粒的回收也消除了产生粉尘污染的可能。可以说,将PHT与疏水颗粒结合这一策略在各个环节都降低了超疏水材料产生环境污染的可能性

  不仅如此,材料降解中的一处细节包含着研究人员为环境着想的苦心——超疏水材料的加入使原本能在酸中降解的PHT获得了耐酸性,为了保持疏水性的同时,保持可降解性,研究人员使用微量的乙醇作为“激活”可降解性的“钥匙”——加入乙醇后的材料可以在两小时内快速降解,这一巧妙的办法实现了材料的化学稳定性与可降解性之间的双赢。

可降解性被“激活”后,材料可在两小时内降解,并且可以回收

  在解决问题中进步

  当然,这一研究也有自身局限——首先,虽然颗粒的回收率高达90%以上,避免了浪费也降低了污染,但颗粒仍需要提前进行表面修饰,并且回收的疏水颗粒最终仍会面临如何处理的问题。其次,热压制备的块体材料应用范围相当有限。考虑到实用性,团队正在尝试从分子层面进行设计,制备本身就具有超疏水性和可降解、可回收性能的材料,这样一方面避免颗粒的引入,制备出能够完全降解的超疏水材料,另一方面,从分子角度进行考虑,让材料形式不拘泥于块体材料这一种。

  人类从自然中获得灵感,不断运用智慧与技术,研制开发出各种新型的材料,而一些新型材料给人们的生活带来极大的便利。与此同时,科学家除了关注材料功能本身,也越来越意识到环境保护的重要性,将可持续发展这一理念纳入到科研的过程中。更多方面的考量意味着更多的挑战,新的问题会在科研道路上不断涌现,但材料科学家们不断过关斩将,开发出多面全能的新材料来。

  也许在不久的将来,超疏水材料会广泛应用在我们的生活中,人们不再需要费力清洁衣服上不慎沾染的污渍,而大自然也不用担心这些材料,“弄脏”自己的衣服。对“懒癌”友好又对环境友好的超疏水材料,着实令人期待。


新闻来源:新浪