北理工在《Nature》上合作發表封面文章:給超疏水表面披上“鎧甲”


  6月3日,《Nature》正式刊發了北京理工大學周天豐教授與電子科技大學鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”,并被選為當期封面。該論文提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,通過在兩個結構尺度上分別進行最優設計,為超疏水表面創造出具有優良機械穩定性的微結構“鎧甲”,解決了超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。

  仿生荷葉的超疏水材料由于其獨特的固-液界面性質,在表面自清潔、生物防污、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出了巨大的應用潛力,隨之又發展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統理論。微/納米粗糙結構在機械載荷下會產生極高的局部壓強,使其易碎易磨損。此外,磨損會暴露底層材料,改變表面的局部化學性質使其從疏水性變成親水性,導致水滴釘扎。長期以來,人們認為表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性,正所謂“魚和熊掌,不可兼得”。因此,如何保證在擁有良好超疏水性能的同時,又能實現較強的機械穩定性,是當前超疏水材料面對實際應用亟待解決的關鍵難題。

微結構鎧甲的設計

鎧甲化超疏水表面展現出優秀的機械穩定性

  該論文基于全新思路,首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度,并提出微結構“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。玻璃鎧甲化表面在集成高強度機械穩定性、耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時,還實現了玻璃鎧甲化表面的高透光率,為該表面應用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創造了必要條件。北京理工大學發揮其在玻璃微納結構制造方面的優勢,利用玻璃模壓成形法實現了倒金字塔陣列微結構的玻璃鎧甲制造。該論文創新的設計思路和通用的制造策略展示了鎧甲化超疏表面非凡的應用潛力,必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。

  論文全文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2331-8

倒金字塔陣列微結構的玻璃鎧甲制造

  此外,周天豐團隊在兩級微納結構制造領域取得新進展。國際材料領域頂級期刊《Materials and Design》發表了北京理工大學周天豐教授在兩級虹彩結構設計及制造領域的原創性研究成果“Generation of high-saturation two-level iridescent structures by vibration-assisted fly cutting”。

微納兩級虹彩結構的設計與制造

  該研究成果中,周天豐團隊設計制造了微溝槽組成的衍射光柵微納兩級結構,建立了兩級結構形狀與衍射顏色的映射關系,并通過編碼可以直接誘導出虹彩圖案。團隊首次提出了變頻振動輔助飛刀切削加工(VAFC)方法,開發了VAFC試驗平臺,通過數值模擬仿真優化加工參數,實現了具有高飽和度和均勻性的兩級虹彩結構高效超精密制造。該微納兩級結構有望在多色印刷,微顯示器/投影儀,商標防偽,隱形隱身方面得到應用。

  論文全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108839

 

附作者簡介:

  周天豐,男,漢族,中共黨員,工學博士,北京理工大學機械與車輛學院教授、醫工融合研究院PI,博士生導師,“青年973首席科學家”,入選“高層次人才計劃”和“霍英東教育基金”支持計劃。專注于“微納結構機械制造”研究,在新型模具材料制備、微納模具制造和精密模壓成形工藝及裝備方面取得了創新性成果,并開拓微納結構在光學探測/制導、光纖通信、醫療器械中的應用。

 

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