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吉林大學(xué)汪大洋教授團(tuán)隊(duì) AFM：依賴于表面極性基團(tuán)分子堆積密度的可調(diào)控的自清潔涂層
2023-05-23  來(lái)源：高分子科技

  表面極性基團(tuán)自身的水合能力以及其與最近的非極性基團(tuán)具有各向同性的分子構(gòu)型是賦予納米級(jí)光滑的親水表面自清潔功能的兩個(gè)先決條件。然而，表面極性基團(tuán)的分子堆積密度的定量調(diào)節(jié)可以控制滿足先決條件的表面極性基團(tuán)強(qiáng)而持久的水合能力與其宏觀親水性間的轉(zhuǎn)換。由分子堆積密度接近0.9的極性基團(tuán)構(gòu)筑的超親水表面可以實(shí)現(xiàn)多種自清潔功能（從防霧到防冰、抗油脂、抗污漬、抗涂鴉以及抗蠟粘附）。


  近期，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院汪大洋教授團(tuán)隊(duì)利用聚乙烯磺酸鈉(PVS)在聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDADMAC)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)構(gòu)筑的聚陽(yáng)離子表面上的靜電沉積構(gòu)建了PVS超親水涂層。通過(guò)最外層PVS的重復(fù)沉積次數(shù)調(diào)控了表面極性基團(tuán)的分子堆積密度（圖1）。并借助和頻振動(dòng)光譜(SFG)和石英電子微天平(QCM-D)證明了表面宏觀親水性與表面磺酸根基團(tuán)數(shù)量密切相關(guān)，提出了浸潤(rùn)性定義（）以及質(zhì)量定義的分子堆積密度（）與表面自清潔性能關(guān)系的分子作用機(jī)制模型。當(dāng)表面磺酸根基團(tuán)緊密排列（分子堆積密度值接近0.9——二維緊密堆積的球體所期望達(dá)到的最大堆積密度）時(shí)，PVS涂層能夠有效地吸附周圍環(huán)境中的水分子，形成完整的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而完全屏蔽表面非極性部分對(duì)表面水合作用的不良貢獻(xiàn)（圖2）。這不僅有助于PVS表面在空氣中被水充分浸潤(rùn)，還有助于在水作用下輕松去除其表面的冰、油脂和蠟的粘附。從而使該涂層能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有的（從防霧到防冰、抗油脂、抗污漬、抗涂鴉以及抗結(jié)蠟）自清潔功能（圖4），這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的其他超親水性表面很難實(shí)現(xiàn)的。此外，調(diào)控表面磺酸根的分子堆積密度可以實(shí)現(xiàn)表面不同的自清潔功能（圖5）。防霧功能的實(shí)現(xiàn)需要表面磺酸根的浸潤(rùn)性定義的分子堆積密度大于0.85，抗油脂功能則要求表面磺酸根基團(tuán)的分子堆積密度高于二維球體隨機(jī)堆積的最大密度（0.67）。而防冰和抗結(jié)蠟功能由于對(duì)表面存在的非極性部分的敏感性，要求表面磺酸根基團(tuán)的分子堆積密度接近0.9。該工作以“A Simple Poly(Vinyl Sulfonate) Coating for All-Purpose, Self-Cleaning Applications: Molecular Packing Density–Defifined Surface Superhydrophilicity”為題發(fā)表在 《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2301085）。文章第一作者是吉林大學(xué)博士生王蓉。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖1 在聚電解質(zhì)多層膜表面構(gòu)筑PVS表面的示意圖


圖 2 不同表面的水合作用強(qiáng)弱及其分子作用機(jī)制


 圖3 磺酸根親水表面的浸潤(rùn)性定義（）以及質(zhì)量定義（）的分子堆積密度 


圖4 不同分子堆積密度的磺酸根表面多用途的自清潔功能
 

圖5  表面親水性以及自清潔性能對(duì)表面極性基團(tuán)的分子堆積密度的依賴性

  該工作是汪大洋團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于從分子水平設(shè)計(jì)并調(diào)控表面浸潤(rùn)行為的最新進(jìn)展之一。在過(guò)去的幾年中，該團(tuán)隊(duì)利用具有各向同性以及各向異性的分子構(gòu)型的不同聚合物表面觀察并解釋了表面重構(gòu)對(duì)表面親水性的影響（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4851），構(gòu)筑了基團(tuán)自身水合能力以及分子構(gòu)型與表面親水性的分子浸潤(rùn)理論模型（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9053）（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14466），并利用該模型指導(dǎo)并設(shè)計(jì)自清潔功能表面，推動(dòng)了浸潤(rùn)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。該工作揭示了第三個(gè)分子設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——表面極性基團(tuán)分子堆積密度與表面浸潤(rùn)性的敏感依賴性，通過(guò)定量調(diào)節(jié)有機(jī)極性表面的親水性以滿足不同自清潔應(yīng)用的要求？傊，以表面極性基團(tuán)的穩(wěn)定且持久的水合作用以及接近0.9的分子堆積密度的分子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幫助我們構(gòu)筑無(wú)需精心設(shè)計(jì)的表面納米結(jié)構(gòu)的超親水表面，并且利用簡(jiǎn)單的聚電解質(zhì)（如PVS）作為涂層材料，可以實(shí)現(xiàn)多種自清潔功能。介于各種簡(jiǎn)單的自動(dòng)化技術(shù)（如噴涂、旋涂等）便可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的靜電沉積，目前的PVS涂層具有巨大的應(yīng)用前景，特別是在需要結(jié)合幾種自清潔功能以解決技術(shù)問(wèn)題時(shí)，例如外科手術(shù)期間體內(nèi)的內(nèi)窺鏡成像。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301085

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