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电压调制的超级附着力:超疏水的MnO2纳米管阵列

已有 6689 次阅读 2011-4-29 01:40 |个人分类:学术交流|系统分类:论文交流| 附着力, 超疏水, 电压调制

Electrically Adjustable, Super Adhesive Force of a Superhydrophobic Aligned MnO2 Nanotube Membrane

Authors
: Xiao-Dan Zhao, Hai-Ming Fan,* Jun Luo , Jun Ding , Xiang-Yang Liu,* Bing-Suo Zou and Yuan-Ping Feng

期刊:Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 184–190

摘要:A superhydrophobic membrane of MnO 2 nanotube arrays on which a water droplet can be immobilized by application of a small DC bias, despite a large contact angle, is reported. For a 3 μ L water droplet, the measured adhesive force increases monotonically with increasing negative voltage, reaching a maximum of 130 μ N at 22 V, 25 times the original value. It follows that the nearly spherical water droplet can be controllably pinned on the substrate,even if the substrate is turned upside down. Moreover, the electrically adjustable adhesion is strongly polarity-dependent: only a fi ve-fold increase is found when a positive bias of 22 V is applied. This remarkable electrically-controlled adhesive property is ascribed to the change in contact geometry between the water droplet and MnO 2 nanotube array, on which water droplets exhibit the different continuities of three-phase contact line. As the modulation in this manner is in situ, fast, effi cient and environmentally-friendly, this kind of smart material with electrically adjustable adhesive properties has a wide variety of applications in biotechnology and in lab-on-chip devices.

简评:超疏水的界面材料近年吸引了很多注意力。超疏水是本意是指接触角大于150度同时滑动角小于5度。究其本质来说,导致超疏水行为主要来源于两种因素,一材料表面能,二,表面微/纳米结构。由于纳米结构的发展,人们发现可以实现接触角大于150度的同时滑动角远大于5度,也就是说大的附着力。在这个领域江院士做出了很多卓越的贡献。当然,这种新的现象也同时引起了在超疏水定义上的争议。个人来讲,我认同这个观点,新的材料带来新的性质并引发对以往定义的修正是个非常正常的科学认识和发展过程。本文就是一个有趣的例子,我们发现表面改性的MnO2纳米阵列具有超疏水性质,有意思的是,当加上一定电压的时候,其大的接触角没有发生变化,但同时其附着力发生了很大的改变。这个附着力随电压增加而增加,并却具有较大的极化性质,当施加反向电压时,只有较小的力增量。这个研究对于发展可调控的智能界面材料有着重要的意义。

背后的故事:
或许加一个这样的叙述会比较有意思,因为每一个工作背后通常都有有一长串故事,这些故事本身就是科研过程。眼下这个故事有点长。08年的时候,Dr. Luo 发现了一种水热途径可以合成MnO2纳米管阵列,这种纳米管具有四方形的截面可以近竖直排列在不同材料的基片上,于是发表了一篇JPCC ( J. Luo*, H. T. Zhu, H. M. Fan*, J. K. Liang, G.H. Rao, J.B. Li, J.Y. Zhang, Z. M. Du, Z. X. Shen, “Synthesis of single-crystal tetragonal α-MnO2 nanotubes”, J. Phys. Chem. C  112,12594, 2008)。我一直感觉这个工作是非常出色的工作并有着很重要的影响,但遗憾的是这个工作当时并没有发表在更好的杂志上。所以,就在想,它还可以做些什么?一个月以后,有一天我去医院,在医院等候室看到一本杂志,这个杂志是报道学校在科研及其他方面的进展。恰好,上面有一篇化学系一位教授写的简报关于MnO2纳米线的亲疏水性质。后面就比较简单,我找到Xiao Dan同学开始测量它的亲疏水性质,xiaodan同学比较认真和专心。受到江一些论文的启发,我们当时就想可以通过外界的stimulus来调制其湿性质。事实上,我们尝试了光和电,其实他们都有效果。但是MnO2由于缺陷存在本身是一个相对好的导体,所以电学调制后期作为主要的研究方向。经过了一年多的努力,最后完成了这个工作。





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