[01161381]仿生微纳米梯度表界面的动态浸润性调控

本项目属于化学领域材料物理化学、高分子材料物理化学与化学物理、表面结构与性能研究领域。本项目是在国家自然科学基金项目、国家重大研究计划（973项目）课题资助下开展工作。本项目通过揭示生物表面微纳米结构梯度特性引发的动态浸润性调控机理,提出多梯度协同效应机制。仿生设计了多梯度界面,发展并证实多梯度协同效应调控理论。发展了仿生制备技术,将流体瑞利不稳定原理引入而获得新颖的制备手段和方法。设计了各种新型的梯度结构材料,提出多梯度（取向梯度、几何梯度、化学梯度、曲率梯度、粗糙梯度等）协同调控动态浸润性概念,通过设计多层次表面,有效地实现了液滴驱动、液滴传输、微尺度液滴定向铺展、方向性聚集和分离,低温憎水,防覆冰特性上的调控。其研究对新型界面流体调控材料设计开辟新途径,对界面微量流体输运调控实际问题的解决奠定基础。 主要研究包括： 1、蜘蛛丝表面多梯度协同效应与定向集水效应：揭示了筛器类蜘蛛的捕捉丝的方向集水效应,提出了“多协同效应”概念。 该研究发现,蜘蛛丝纳米纤维经过湿组装形成的周期纺锤节表面具有多梯度特征,使得粗糙梯度引发的能量梯度与表面曲率引发的拉普拉斯压差可以有效协同,驱动微小凝结液滴定向传输聚集,从而获得高效集水特性。该发现可以解决凝结微小液滴高效传输,为设计新型集水材料提供思路。 2、仿生梯度协同界面的设计与集水性调控：将多梯度概念引入界面的制备中,将瑞利不稳定技术有效结合提拉涂层技术、共轴静电纺丝技术、流体涂层技术,发展新型仿生技术和方法,设计并可控制备了仿生类蜘蛛丝纺锤节梯度结构纤维。通过研究材料集水特性,揭示了稳定悬滴的固液气三相界面的“曲率梯度”效应机制。通过设计梯度界面,发现粗糙与平滑纺锤节可以有效调控微小液滴定向聚集传输特性。通过设计异质的亲/疏水珠串的仿生结构丝纤维,实现了微观水聚集性调控。此外,通过利用温度响应性聚合物修饰纤维网材,获得了微纳米结构的孔状表面,获得了表面高效的水或油流体的开关动态传输特性。为微量流体调控界面的设计提供设计方法和研究基础。 3、生物梯度表面动态憎水性调控：揭示了蝴蝶翅膀的方向性憎水机理,从微纳米层次上,提出了多层级梯度结构形成了方向依赖的两种高/低粘滞的超疏水状态共存机制。揭示了荷叶微纳米结构表面引发梯度表面能量,从而可以驱动液滴憎水概念,揭示荷叶表面水凝结滴憎斥的微观机制。基于生物表面动态浸润性机理,运用微加工技术和纳米晶体生长技术,构建了仿生微纳米结构的超疏水表面。研究发现微纳米结构的表面在防结冰延时性及防覆冰方面具有优越的前瞻性。 本项目从2007年至今,总计发表SCI论文41篇,其中包括在影响因子大于3 的重要期刊上发表论文36篇,研究成果受到国内外同行的广泛关注和认可,发表论文被SCI期刊他引1571次。其中两篇论文（Nature, 2010, 463, 640-643;Soft Matter, 2007, 3, 178-182）单篇SCI他引分别为196次、254次。研究论文被国际顶级期刊（Nat.Mater.、Nat.Phys.、Nat.Technol.、Nat.Communi.、Science）论文引用。本项目10篇代表性论文（Nature 1、Adv. Mater.6、Adv. Funct. Mater.1、Soft Matter1、Appl.Phys.Lett. 1）他引629次,其中1篇在国际顶级期刊Nature以封面作发表,有7篇论文以封面作报道并大部分得到Nature,RSC publishing亮点报道。参加国际学术会议20余次,在国际学术会议做邀请报告16次。 本项目提出多梯度协同效应概念,提出动态浸润性调控的方法及有效途径。在梯度界面材料设计、技术方法,以及在梯度界面自组装、可控制备、以及微尺度液滴行为调控、低温浸润性功能方面做出了开创性的成绩。该研究为建立新型界面功能体系及微量流体行为控制领域奠定了坚实的基础。