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深圳大学周学昌教授课题组:受生物分泌启发的抗冰霜、化冰、抗冰黏附的韧性有机水凝胶动态界面
2020-11-25  来源:高分子科技

  水及空气中悬浮的水蒸气在低温下的结冰影响着地面的交通运输、航空、能源、制冷等众多领域,造成巨大的经济损失和安全问题。当前的控冰防冰策略如引入超疏水涂层以及低表面能材料往往受到低的延迟结冰时间、无法长时稳定和大规模生产等缺点所限。而最近发展的离子凝胶在体现了其良好的抑制冰核形成和生长的同时,多次循环使用带来的去冰抗霜效果的下降和离子凝胶对很多工程材料的腐蚀性依然给这一领域带来了挑战。


  在自然界中,一些生物蚯蚓、泥鳅和鱼类在受到外界刺激时会自动分泌一些粘液适应环境或逃离捕食者来得以生存。受到该生物行为的启发,深圳大学周学昌教授课题组在前期抗冰韧性有机水凝胶(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 6568-6571;J. Mater. Chem. B, 2018, 6, 7366-7372.)的研究基础上设计了一种有机水凝胶动态界面结构。该界面结构允许水(水汽)和抗冻剂在其表面动态且可逆的交换,实现展现长时抗冰霜、化冰和抗冰黏附。该涂层在低温下对于冰的滑动角最低接近2°,延迟结冰霜时间长达970分钟(99%相对湿度,采用额外加湿)。该策略为如飞机、道路以及户外设施在低温下的表面抗结冰提供了一种可靠和易于大规模应用的方法。


图1.受生物分泌液体启发的具有抗冰霜、化冰、抗冰黏附、低温下防止组织黏附和可循环使用的韧性有机水凝胶动态界面的示意图。


  有机水凝胶动态界面是一种由高分子网络和水与抗冻剂的混合溶剂组成的界面结构(图1)。在低温下时,当水分子或者冰接触到有机水凝胶动态界面时,该表面可以释放抗冻剂,形成抗结冰的固-液界面,从而实现化冰、抗冰黏附和防止生物组织黏附。由于界面内部包含了众多的抗冻剂分子,有机水凝胶动态界面可以持续地在低温下捕获冷凝在界面上的水分子,进而抑制界面上的冷凝水的结冰,实现涂层内部抗结冰、界面抗霜。该涂层被成功应用到玻璃片、塑料及弹性体、布片、金属片与线和叶片等平面或立体结构上的基底上,实现了低温下出色的抗冰霜性能(图2)。此外,有机水凝胶动态界面的构筑原料来源丰富,具有较高的普适性、可机械性能调控、可图案化和可循环使等特点,为抗结冰界面的设计、低成本、规模化制备和应用提供了新的思路。


图2. 韧性有机水凝胶动态界面材料应用于玻璃片、PDMS、眼睛、手表、手机、布片、不锈钢片、金属铝导电线、塑料模型车、叶片和螺旋桨等多种基底的抗冰展示图片,其中被冰雪覆盖的部分为无有机水凝胶修饰区域。


  该研究成果以“Bioinspired Tough Organohydrogel Dynamic Interfaces Enabled Subzero Temperature Antifrosting, Deicing, and Antiadhesion”为题,近期发表于美国化学会旗下期刊ACS Applied Materials & Interfaces。该论文的第一作者为深圳大学硕士研究生陈繁徐紫瑶,通讯作者为深圳大学周学昌教授。该工作得到国家自然科学基金优秀青年基金等项目的资助。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c17163

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