仿生抗微滴黏附纳米界面研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaosheng2099
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调控表面黏附以及制备抗黏性界面,对科学研究和功能材料的应用开发都具有十分重要的意义。纳米仿生研究表明:具有纳米渐变体阵列结构的生物表面,如蚊眼和蝉翼表面不仅对宏观液滴,而且对微滴(雾滴和冷凝微滴)具有抗黏的性质。然而,目前有关人工抗微滴黏附表面研究较少。因此亟需开发一种简便、快速的方法制备抗微滴黏附的表面,并对其抗黏性机制及微滴-界面作用等进行系统性研究。本论文受生物灵感启发,在对抗黏表面设计原理进行分析的基础上,提出了一种通过准直纳米棒渐变调控而实现抗黏附表面的设计思路。提出了强碱体系中生长基元扩散受限的晶体合成方法,通过热力学和动力学协同调控可快速实现准直纳米棒的渐变可控。在此基础上,研究了表面宏观液滴的动态黏附行为、抗微滴黏附行为以及冷凝微滴自驱离行为。论文主要内容如下:  1.准直纳米棒渐变与表面黏附行为调控。发展一种强碱体系中生长基元受限扩散的晶体生长方法,实现了准直氧化锌纳米结构顶部形貌的渐变调控,该方法能实现不同形貌纳米阵列结构的低成本可控制备;结合视频光学、力学测试和滚动角测试等手段对表面宏观液滴黏附行为进行研究,揭示了法向和侧向表面黏附行为与结构形貌特征的密切关系——通过准直纳米棒的渐变可有效降低固-液van der Waals力从而实现非凡的准静态和动态的水滴抗黏附特性。  2.表面抗微滴黏附研究。结合微滴动态行为的显微光学研究及理论分析,证实了准直纳米针相比准直纳米棒具有抗微滴黏附性质,微滴抗黏附可通过弹离和飘离两种方式实现,其优异特性源于准直纳米针表面极低的黏附。  3.抗微滴黏附表面的冷凝微滴自驱离行为研究。结合冷凝微滴的表面行为动态研究、冷凝行为的时间演化趋势研究和统计分析,并结合两体融合模型的能量理论分析,提出了实现冷凝微滴融合自驱离弹跳的界面耗散能量阈值,证实了纳米渐变体阵列能够通过有效降低固液接触的van der Waals力以及消除线张力效应而具有冷凝微滴高效自驱离的能力。  4.准直纳米棒和纳米线表面冷凝微滴行为研究。结合两种具有顶部直径和表面黏附显著差异的准直纳米结构模型,对其表面冷凝微滴行为、冷凝过程的时间演化趋势和微滴行为的统计分析,并结合前文理论模型的主要结论,对两种纳米结构模型的表面黏附进行理论分析,揭示了准直纳米线具有良好的冷凝微滴自驱离能力,而纳米棒表面不具有这种能力。结合结构的差异性,提出纳米线的黏附耗散主要贡献来自线张力效应,进一步证实了顶部渐变化消除尖端钉扎效应的重要性;纳米棒的黏附耗散主要贡献来自van der Waals力效应。
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