蘭州化物所研發加固仿生自清潔硅基仿生材料

　　出淤泥而不染的荷葉，捕蟲高手豬籠草，科學家們研究仿生，利用自然界賦予的神奇功效為人類服務。然而，仿生“荷葉”和“豬籠草”卻有一顆“玻璃心”，一旦受到外界觸碰，“自清潔”功能也隨即消失。

　　“我們要做可以應用的硅基仿生自清潔材料。”中科院蘭州化學物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室張俊平研究員對記者說。

　　機械穩定性差，仿生材料難應用

　　“出淤泥而不染，濯清漣而不妖。”人們很早就知道荷葉表面有“自清潔”效應。其實，天鵝羽毛、北極熊皮毛也具有類似功能。另外，豬籠草捕蟲籠口部具有超滑作用，從而能夠捕獲昆蟲。近年來，仿荷葉超疏水涂層、超雙疏（超疏水且超疏油）涂層及仿豬籠草超滑涂層等特殊潤濕性涂層、材料受到較高關注。它們可以用來防污染、防腐、防雪、防結冰以及流體減阻等，在人們的日常生活中有著極其廣闊的應用前景。

　　科學家們研發的仿生自清潔材料可以成功模擬荷葉的超疏水，豬籠草的超滑。然而，大多數研究成果卻只能停留在實驗室。

　　“不能碰，摸一下就失去功能。”張俊平說，機械穩定性差、制備方法復雜、昂貴，低表面能液體易粘附和基底材料性質依賴性強等問題，成為仿生自清潔材料實際應用的瓶頸因素。

　　源于自然，高于自然，實現穩定超疏水

　　“我們要做可以應用的仿生自清潔材料。”奔著這個目標，從2009年，張俊平團隊開始研究硅基仿生超疏水、超雙疏材料。

　　研究小組首先通過有機硅納米線的可控生長，可在各種表面上（玻璃、硅片、紡織品、木材、塑料、鋁合金等）形成超疏水、超雙疏涂層，但穩定性不高。另外，研究小組還嘗試采用有機硅納米線制備了仿豬籠草超滑涂層，具有機械穩定性高和自修復的特點。然而，仿荷葉超雙疏涂層與仿豬籠草超滑涂層在液體運動速度和自清潔性方面有顯著區別，仿豬籠草涂層的液膜容易受到污染，且易揮發。液膜揮發會導致其喪失自清潔性，制約實際應用。相關研究成果發表在《先進功能材料》等雜志上。

　　針對超疏水材料機械穩定性差的問題，2013年，研究小組從粗糙基底入手，采用浸涂法制備出了無氟硅基穩定超疏水織物（如聚酯、棉、羊毛、絲綢等），具有優異的耐摩擦、耐機洗和耐干洗性能，可應用于服裝、包等戶外用品。在此基礎上，通過與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結合，制備了磁性油水分離海綿、光催化油水分離材料和自清潔抗生物粘附材料等。相關研究成果發表在《化學通訊》等雜志上。

　　在上述工作基礎上，研究小組通過在硅烷聚合反應過程中引入碳納米管等纖維狀納米材料，合成了一系列新型硅烷聚合物納米復合材料，成功地在多種基底材料上制備了穩定超疏水涂層，涂層表現出優異的機械、化學和環境穩定性和一定的自修復性。

　　凹凸棒石，讓仿生材料更環保

　　一個個難關的攻克，讓團隊有信心向更高目標發起沖刺——“綠色”穩定超疏水、超雙疏涂層。“以往制備涂層都使用合成納米材料，不僅價格昂貴，還會污染環境。”張俊平說，為什么不用天然納米材料制備仿生自清潔涂層呢？

　　2013年，研究小組首次采用凹凸棒石等天然納米材料，合成了穩定超疏水涂層。凹凸棒石是一種含水富鎂鋁的硅酸鹽黏土礦物，是一種天然的一維納米材料。凹凸棒石在我國儲量巨大，集中于甘肅臨澤、江蘇盱眙等地。隨著研究的深入，另一個問題擺在面前。當超疏水涂層遇到油或其他有機物，涂層會失效。2016年，研究小組首次采用凹凸棒石制備了穩定超雙疏涂層，具有優異的超雙疏性能、超疏熱液體性能和綜合穩定性及較好的自修復性。研究表明，凹凸棒石在構筑超疏水、超雙疏涂層方面優于膨潤土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎上，拓展了其在藥物控釋和液體彈珠等領域的應用，實現了空氣層調控的藥物控釋和不同表面能液體彈珠的可控制備。此外，通過控制硅烷在凹凸棒石表面的水解縮合反應，制備了水性超疏水涂層，也具有優異的綜合性能。

　　瑪雅藍是一種具有艷麗色彩的有機—無機復合顏料，由凹凸棒石和一種來自植物的靛藍分子復合而成，古代瑪雅人將其廣泛應用于壁畫、陶器和雕刻中。瑪雅藍具有優異的穩定性，長年累月的氣溫變化和潮濕的空氣也無法使它褪色。在前期類瑪雅藍顏料和仿生自清潔涂層的研究基礎上，研究人員首次將類瑪雅藍顏料與超疏水、超雙疏涂層相結合，制備了色彩豐富的自清潔類瑪雅藍顏料和涂層。超疏水、超雙疏涂層的引入，顯著提高了類瑪雅藍顏料的穩定性，并賦予其自清潔性能，可應用于耐久性涂料或文物修復。

　　目前，團隊還制備出超疏水、超雙疏硅基3D泡沫材料，它獨特的3D多孔結構在過濾、油水分離、污染物分離等諸多領域具有廣泛的應用前景。

　　上述研究工作得到了中科院“百人計劃”、國家自然科學基金項目的資助。