仿生材料的水下油接觸角源于自然的油水分離

水下油接觸角的測(cè)試是評(píng)估仿生材料疏油性能的關(guān)鍵技術(shù)。通過接觸角測(cè)量?jī)x，研究人員可以定量分析材料在水環(huán)境中的抗油黏附能力。測(cè)試結(jié)果通常顯示，高性能仿生材料的水下油接觸角可達(dá)160°以上。

例如，一項(xiàng)研究中，通過一步浸漬法將TiO2納米顆粒和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)原位固化到不銹鋼網(wǎng)上制備的超親水/水下超疏油油水分離膜，在水中油的接觸角達(dá)160°。測(cè)試過程不僅包括靜態(tài)接觸角的測(cè)量，還涉及動(dòng)態(tài)接觸角分析，如滾動(dòng)角的測(cè)定。殼聚糖/聚乙烯醇/SiO2納米顆粒涂層的水下油接觸角達(dá)到153.4°，滾動(dòng)角約為3°，表現(xiàn)出低黏附水下超疏油特性。這種低粘附性意味著油滴在表面上極易滾動(dòng)離開，是實(shí)現(xiàn)自清潔功能的關(guān)鍵。

先進(jìn)的研究還會(huì)考察材料在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，如在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和鹽水溶液中測(cè)試其接觸角的變化，以評(píng)估材料在復(fù)雜實(shí)際環(huán)境中的適用性。目前，研究人員已開發(fā)出多種類型的仿生超浸潤(rùn)材料，主要包括超親水/水下超疏油材料和超疏水/超親油材料兩大類。

超親水/水下超疏油材料模仿了魚鱗的表面特性。這類材料通常由親水組分構(gòu)成，如聚苯胺、殼聚糖等，并結(jié)合微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。TiO2納米顆粒是常用的微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建單元，通過與聚合物協(xié)同作用，可在不銹鋼網(wǎng)等基底上構(gòu)建穩(wěn)定的超親水/水下超疏油表面。

超疏水/超親油材料則更多受到荷葉效應(yīng)的啟發(fā)。這類材料通常通過構(gòu)筑粗糙表面并結(jié)合低表面能物質(zhì)修飾來實(shí)現(xiàn)。例如，通過電沉積法在銅網(wǎng)表面制備銅鍍層，然后經(jīng)硬脂酸修飾制得具有仿生超疏水性能的濾網(wǎng)，其接觸角高達(dá)165°。制備這些材料的方法多種多樣，包括電沉積法、化學(xué)接枝法、一步浸漬法等。其中，電沉積-化學(xué)修飾協(xié)同工藝和化學(xué)接枝法能夠?qū)崿F(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，從而獲得性能優(yōu)異的油水分離材料。

仿生超浸潤(rùn)材料在油水分離領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。海洋溢油事故和工業(yè)含油廢水處理是對(duì)這類材料的迫切需求領(lǐng)域。具有超親水/水下超疏油特性的分離膜，如TiO2/PVP-SS膜，油水分離效率大于99.5%，膜通量可達(dá)8422.5L/(m2·h)。這種高效率和高通量使得快速處理大量含油廢水成為可能。

材料的長(zhǎng)效穩(wěn)定性和循環(huán)使用性是評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明，超疏水/親油復(fù)合陶瓷顆粒濾料（OFMSPsC）在經(jīng)過10次循環(huán)使用后，分離效率仍維持在85%以上，而仿生超疏水銅網(wǎng)濾網(wǎng)反復(fù)使用15次后仍能達(dá)到90%以上的分離效率。除了油水分離，這類仿生材料在自清潔、防污、抗腐蝕 等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。例如，具有水下超疏油特性的透明涂層可用于太陽能電池蓋板、觸摸屏、玻璃、照相機(jī)鏡頭等，防止外界環(huán)境中的灰塵、油污和腐蝕性液體的污染。

研究人員曾開發(fā)出一種超疏水/親油復(fù)合陶瓷顆粒濾料，通過外磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速回收和重復(fù)使用，對(duì)多種油類污染物的分離效率超過93%，即使在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和機(jī)械磨損條件下仍保持穩(wěn)定性能。從魚鱗到人工分離膜，從荷葉到自清潔表面，自然界的智慧正在被轉(zhuǎn)化為解決人類面臨環(huán)境挑戰(zhàn)的技術(shù)方案。