編者按:以往人們認為材料表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性不能兼得。新的實驗構(gòu)筑出“鎧甲化”超疏水表面。目前研究人員已經(jīng)將這種新型超疏水材料表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板。自清潔技術(shù)可以巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染,長期維持太陽能電池高效的能量轉(zhuǎn)換。
據(jù)報道:通過給超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式,可以巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染,能夠長期維持太陽能電池高效的能量轉(zhuǎn)換,并節(jié)省傳統(tǒng)清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。目前,研究人員已經(jīng)將這種新型超疏水材料表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板。
為什么水蜘蛛可以在水上行走?為什么荷葉“出淤泥而不染”?為什么蝴蝶的翅膀不會被打濕?其實,這些都與動植物“身體”表面的超疏水性有關(guān)系。
受上述自然現(xiàn)象的啟發(fā),人們逐漸掌握了材料疏水的秘密——其對水具有極好的排斥性,水滴在其表面保持球狀極易滾動,且水珠滾動的過程中還可以帶走材料表面的塵埃,達到清潔效果。
但是,以往人們制備出的超疏水材料表面結(jié)構(gòu)十分脆弱,難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。如何給超疏水材料表面披上堅固“鎧甲”且不影響其疏水性能,成為該領(lǐng)域研究學者努力的方向。
日前《自然》雜志以封面文章形式發(fā)表了該?;A(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授團隊最新科研成果,這篇名為《設(shè)計堅固的超疏水表面》的文章提出,通過給超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式,可解決超疏水表面機械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。
超疏水性vs機械穩(wěn)定性,魚和熊掌難以取舍
近年來,源于動植物仿生學的超疏水材料由于其獨特的物理性質(zhì),在表面自清潔、生物防污、防水抗結(jié)冰、流體減阻以及傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用潛力。
據(jù)了解,超疏水材料的表面超疏水性,可歸因于其微/納米粗糙結(jié)構(gòu)可以截留空氣并托起液滴的緣故。
“然而,這種結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致超疏水材料更易磨損破碎。”論文第一作者、電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝說,不耐磨損還會導(dǎo)致底層材料暴露,表面局部化學性質(zhì)發(fā)生改變,使其從疏水變成親水。
“根據(jù)以往的科學研究,人們認為材料表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性是不能兼得的兩個特性。”
王德輝說,這是因為微/納米粗糙結(jié)構(gòu)是通過減少材料與水的接觸面積的方式來增強疏水性,這同時也會導(dǎo)致微/納米結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強,從而更易磨損。這就意味著,在以往的超疏水材料中,超疏水性和機械穩(wěn)定性兩種特性,在一方的性能有所提高時,必然導(dǎo)致另一方的性能下降。
優(yōu)化設(shè)計出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”,新型材料一舉雙贏
要實現(xiàn)同一材料表面的機械穩(wěn)定性與超疏水性能雙重疊加,就要給機械性能較弱的超疏水材料表面裝上“鎧甲”。
“一方面,實現(xiàn)機械穩(wěn)定性需要在更大的結(jié)構(gòu)尺度上進行幾何設(shè)計;另一方面,要保障良好的超疏水性則要在納米尺度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。”
王德輝說,按照常規(guī)思路,很難在同一尺度實現(xiàn)上述兩種性能的兼容。能不能嘗試拆分處理呢?
論文通訊作者、電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授及其團隊提出了新的實驗設(shè)想:即通過“去耦合機制”將超疏水性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度,分別進行優(yōu)化設(shè)計后,再組合到一起,讓可提供機械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)發(fā)揮“鎧甲”作用,以防止具有超疏水性的結(jié)構(gòu)受到磨損。
“微結(jié)構(gòu)就是做到微米乃至更宏觀尺度級別,這種結(jié)構(gòu)比較耐磨耐用,可提供機械穩(wěn)定性保護納米材料免遭磨損;而被保護的納米結(jié)構(gòu)則主要承擔超疏水性。”王德輝說,這樣通過優(yōu)化設(shè)計后制備的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”就可以很好保護超疏水納米材料免遭磨損,從而構(gòu)筑出“鎧甲化”超疏水表面。
在實驗過程中,該團隊通過結(jié)合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,同時利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術(shù)將鎧甲結(jié)構(gòu)制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面,與超疏水納米材料復(fù)合構(gòu)建出具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的“鎧甲化”超疏水表面。
已用于自清潔太陽能電池,未來用途將十分廣泛
據(jù)悉,目前研究人員已經(jīng)將這種新型超疏水材料表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板。
“自清潔技術(shù)可以巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染,能夠長期維持太陽能電池高效的能量轉(zhuǎn)換,并節(jié)省傳統(tǒng)清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。”王德輝說。
團隊發(fā)現(xiàn),該新型超疏水材料同時也兼具了耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能。此外,新材料還實現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率,這也將為應(yīng)用于自清潔車用玻璃、建筑玻璃幕墻等創(chuàng)造條件。
原標題: 超疏水材料制作光伏組件面板,疏水耐磨兼具自清潔