化學與材料科學 - 山東理工大學吳永玲教授/劉明明副教授課題組《CEJ》：粘液類生物體啟發的有機/無機複合仿生超滑塗層的設計與製備－鑽石舞台

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生物體在優勝劣汰的自然選擇下不斷進化出獨特的表面性能，以適應外界生存環境。受此啟發而開發的多種超浸潤表界面材料在減阻、耐腐蝕、防冰、防污、自潔等領域表現出廣闊的應用前景。近年來，受豬籠草的啟發，研究人員將低表面能潤滑劑灌注到微納粗糙結構形成固液複合的超滑表面（Slippery Liquid Infused Porous Surface, SLIPS），光滑無缺陷的低能潤滑液膜可以提高基材的抗污損性能。然而在實際應用中，基材表面儲液結構的機械強度較差，鎖定潤滑液的能力較差。此外，潤滑劑在分子擴散、機械外力、流體剪切等作用下，不可避免的存在揮發、挾帶等損失，導致超滑表面長效服役性能較差。當前研究主要集中在超滑表面在無外力破壞作用下的空氣或者水環境下的防污特性，關於其在不同液體介質的動態破壞作用下的防污性能研究還鮮有報道。自然界中有許多動植物（泥鰍、蚯蚓、山藥等）在體表分泌粘液，這些粘液既可起潤滑和濕潤的功效，又可在動物的防禦和生存中發揮重要的作用。

山東理工大學吳永玲教授課題組在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表了題為「Mucilage-inspired robust antifouling coatings under liquid mediums」的論文（DOI: doi.org/10.1016/j.cej.2022.136949）。以粘液類生物體泥鰍和山藥作為研究對象，研究了粘液對生物體表面的抗污特性（如圖1），團隊成員利用無機磷酸鋁鹽粘結劑（AP）作為粘結材料，將無機二氧化鈦納米填料（TiO2）和有機聚四氟乙烯（PTFE）納米顆粒通過共價鍵交聯，在多種基材表面仿生構築穩固的有機-無機複合塗層AP-TiO2@PTFE。無機TiO2填料具有較高硬度和機械強度，有機PTFE具有較好的柔韌性和較低的表面能，通過優化無機填料TiO2的比例，得到具有較好強度、韌性、低摩擦係數和較低表面能的粗糙多孔隙塗層。此後，利用聚四氟乙烯顆粒與全氟聚醚潤滑油（PFPE）之間的良好的界面相容性，將PFPE通過空隙毛細作用和范德華作用力牢固吸附溶脹到AP-TiO2@PTFE塗層內部，仿生構建類粘液超滑表面AP-TiO2@PTFE@PFPE（圖2）。

圖1（a）泥鰍照片；（b）泥鰍外表皮和內表皮形貌結構；（c）泥鰍活體表皮和乾燥表皮在羅丹明B水溶液中浸泡後的熒光顯微鏡照片；新鮮山藥（d）和冷凍乾燥山藥（e）在羅丹明B水溶液中浸泡前後的光學照片和熒光顯微鏡照片。

圖2 粘液類仿生塗層AP-TiO2@PTFE@PFPE的構建過程（a）和反應機理（b）示意圖。

基於無機磷酸鋁鹽的耐溶劑性和高粘結強度，協同PTFE固體潤滑塗層和PFPE液體潤滑油的潤滑減摩效應，類粘液超滑表面AP-TiO2@PTFE@PFPE在各種液體介質環境（水和正己烷）下經受500次的摩擦磨損測試，依然保持穩定的疏水、疏油性能（滑動角<5°）。同時，低表面能的PFPE潤滑油膜可以形成物理阻隔，導致水溶性和油溶性的熒光染料在磨損實驗過程中無法浸潤到塗層內部，對小分子熒光染料表現出很好的抗污性（如圖3）。此外，類粘液超滑表面AP-TiO2@PTFE@PFPE具有良好的柔韌性，經過100多次的對摺實驗，塗層表面出現極少的微裂紋；吸附潤滑油的PTFE顆粒發生溶脹，在機械拉伸作用下，會形成藕絲狀的條狀結構。塗層在反覆的對摺測試下保持了優異的防污性能，高粘度的潤滑油在對摺處也無法黏附。基於此塗層的柔韌性和粘液超滑性，將其塗敷在筒狀基材表面，有望應用於原油輸送管道的無損傳輸（如圖4）。

圖3 （a-e）在羅丹明B水溶液中經過500次的摩擦循環測試後，超滑塗層AP-TiO2@PTFE@PFPE的水和氯仿液滴的滑動角（a）,表面（b）和截面（c）的電鏡照片，以及浸泡摩擦前後的顯微鏡照片（d-e）；（f-j）在尼羅紅正己烷溶液中經過500次的摩擦循環測試後，超滑塗層AP-TiO2@PTFE@PFPE的水和氯仿液滴的滑動角（f）,表面（g）和截面（h）的電鏡照片，以及浸泡摩擦前後的顯微鏡照片（i-j）。