天大青年教师在国际顶级期刊发表论文

天津大学  |  2022-11-16

近日,天津大学机械学院青年教师陈发泽以第一作者身份在国际顶级期刊《Chemical Society Reviews》(影响因子60.615,一区Top期刊)上发表题为《Robustand Durable Liquid-Repellent Surfaces》的综述论文,并被遴选为当期正封面(FrontCover)论文(图1)。论文综述了近年来坚固耐久型斥液表面的研究现状,全文共108页,近7.3万字,参考文献750余篇。


受荷叶上表面(超疏水表面)、弹尾虫表皮(超疏油表面)、鱼鳞(水下超疏油表面)、猪笼草(液体灌注超滑表面)等生物启发的斥液表面在防水、自清洁、抗结冰、防腐蚀、流体操控、生物医学等方面展现出巨大的应用前景,因而受到了仿生制造、微纳加工、表面工程、界面化学、微流控等领域学者的广泛关注。然而,大多数斥液表面的耐久性较差,在现实环境中容易被破坏而失去斥液性,大大限制了其实际应用的发展和推广。近十年来,国内外科研人员针对斥液表面的耐久性开展了大量研究工作并取得了多项突破性成果。陈发泽及其合作者基于近年来的研究成果,结合其他团队的已发表论文,对坚固耐久型斥液表面的研究进展进行了详细回顾,论文主要内容如图2所示。


润湿涉及液体在固体(或液体)表面的铺展以及在三相界面处形成接触角的过程,润湿性可以用经典的Young模型、Wenzel模型、Cassie模型描述。润湿性的常用表征方法包括接触角、接触角滞后、滚动/滑动角、粘附力等。斥液表面指难以被液体润湿且液滴在其上容易滚落或滑落的表面,主要包括超疏水表面、超疏油表面和超滑表面。超疏水和超疏油表面的斥液性依赖于表面微纳粗糙结构中的空气层,而超滑表面则借助表面微纳结构中灌注的润滑油层实现斥液性。

斥液表面的耐久性主要包括热力学耐久性、机械耐久性和化学耐久性。热力学耐久性主要指斥液表面空气层或润滑油层在扩散、蒸发、冷凝等热力学过程中的稳定性,一般通过增加水击压力、浸泡、蒸汽冷凝、液滴蒸发、重力引流等方法来评价。机械耐久性指斥液表面在外力作用下维持其润湿性的能力,一般通过切向磨损、动态撞击、胶带剥离、基体变形等方式测试。化学耐久性指斥液表面在各种化学因素作用下的稳定性,一般通过酸碱盐腐蚀、紫外光或活性粒子照射、有机溶剂浸泡、高/低温处理等方法测试。

近年来,研究人员提出了多种改善斥液表面耐久性的策略,极大的推动了斥液表面实际应用的发展。1、优化基体或表面化学成分,选择耐久性好的基体材料或表面修饰剂,可有效改善斥液表面的机械耐久性和化学耐久性。2、设计特殊的微纳结构。如优化微结构的几何形状和参数能有效改善微结构的机械强度,使斥液表面机械耐久性得以提高;凹角结构和密排纳米结构能提高斥液表面空气层或润滑油层的稳定性,从而提高其热力学稳定性;自相似微纳结构可使斥液表面具有“自锐性”,在发生机械磨损或化学腐蚀后形成和原表面相似的粗糙结构和化学成分,从而保证其斥液性;微纳复合结构中,机械强度相对较高的微米级结构能起到类似“铠甲”的作用,保护脆弱的纳米级结构,从而改善斥液表面的机械耐久性。3、通过共价键、交联、胶层辅助等方法增强斥液涂层和基底之间的连接强度。4、制备具有自愈性的斥液表面,包括可自愈的表面化学成分、可恢复的表面微纳结构等。

在此基础上,论文总结了坚固耐久型斥液表面的典型应用,如耐腐蚀、抗淤积、防结冰、气/液收集、气/液转移、气/液操控、不互溶液体分离、发电、相变传热强化等,重点突出了斥液表面耐久性在上述应用领域的重要性。最后,作者提出了在坚固耐久型斥液表面领域尚需深入研究的方向,如斥液性表征方法的优化、耐久性评价方法的选择和标准化、提高斥液表面耐久性方法的优化和复合、斥液表面加工方法的改进和工业化等。

陈发泽隶属于我校张大卫教授组建的微纳制造与装备国际联合研究中心,近年来主要从事微纳功能表面精密制造及应用、超快激光增/减材加工等领域的研究,先后获得科技部试点课题、国家自然科学基金、博新计划等项目的资助,已发表论文40余篇,申请发明专利10余项。


论文信息:

Faze Chen, Yaquan Wang, Yanling Tian*, Dawei Zhang, Jinlong Song*, Colin R. Crick, Claire J. Carmalt, Ivan P. Parkin, Yao Lu*. Robust and Durable Liquid-Repellent Surfaces.Chemical Society Reviews, 2022, 51, 8476-8583.

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D0CS01033B.

责任编辑:曹竞