超粘附仿生材料研究获进展

 

材料表面的浸润特性因具有广阔的工业和日常生活领域应用潜力而引发人们极大的研究兴趣，其中实现同时具有超疏水性和超高粘附性的仿生纳米结构表面是目前这一领域的重要课题。但是，由于材料结构设计和制备方面的限制以及对纳米尺度浸润机制理解的不足，超疏水且超高粘附性纳米结构表面方面的仿生研究面临巨大的挑战。最新研究结果表明，石墨烯具有非常独特的浸润特性，有可能成为同时实现超疏水和超高粘附性的纳米材料，因而备受关注。

 

中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）微加工实验室李俊杰和顾长志研究员及博士生田士兵等人与国家纳米科学中心韩东研究员合作，在前期各种微纳分级结构的仿生及表面浸润特性的研究基础上【Nanotechnology, 22, 395301 (2011)】，设计并制备出花状石墨烯/硅纳米锥复合纳米结构，成功实现了其表面超疏水兼超高粘附力的特性，具有164°接触角和254μN粘附力 (5μL水滴)，远超过目前有文献报道的粘附力最高值。花状石墨烯表面的疏水性和纳米边缘处的亲水性共存的结构特点使得这种复合结构表面同时具有超疏水和高粘附特性，而硅纳米锥结构则优化了花状石墨烯的表面分布，极大提高了表面浸润特性。这种具有超疏水高粘附的花状石墨烯/硅纳米锥复合结构制备方法具有简单、低成本、工业兼容等优点，其中硅纳米锥是通过专利技术——低温无掩膜等离子刻蚀方法大面积获得的，而花状少层石墨烯则是通过HFCVD方法可控制备。

 

这种花状石墨烯/硅纳米锥复合纳米结构材料表面与自然界中壁虎爪的微观结构十分相似，并展现出超粘附的奇异特性，在工程粘附、微液滴操控等方面具有非常广阔的应用前景。此外，这种复合纳米结构表面浸润特性也表现出与自然界中玫瑰花表面相似的浸润特性，足以满足在微纳尺度范围内生物化学芯片上固定微液滴样品且不受周围污染的需求。

 

这种花状石墨烯/硅纳米锥复合纳米结构及其超浸润特性不仅为研究和理解超疏水且超粘附的浸润机制提供了直接实验证据，而且为设计制备新型超粘附仿生纳米结构提供一个新的途径，同时极大拓展了石墨烯的应用领域。

 

该结果发表在Scientific Reports【2, 511（2012）】上。

 

以上工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院相关项目的资助。（来源：中科院物理研究所）

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