专栏名称: 高分子科技
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伦敦玛丽女王大学陆遥教授、孟思宇博士 《ACS Nano》综述:超浸润材料的制造、应用及环境可持续性

高分子科技  · 公众号  · 化学  · 2025-03-18 11:59

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全球对能源消耗、环境污染以及可持续发展的日益关注, 推动 了学术界对先进表面工程解决方案的深入研究, 并促进 了相关技术的开发与创新。 当前, 超浸润材料技术的发展 主要围绕 三种关键微观结构 设计 :赋予超疏水性的微 /纳米分层结构、实现超疏油性的凹 特征结构,以及达到超全疏性的双重凹 角结构 设计。 这些结构设计策略已成功应用于新型环保材料的开发。 近期研究 表明 ,环境友好型表面材料取得了显著进展,这些技术进步通过减少资源消耗、提升能源效率和降低化学污染等多重途径,为环境可持续发展提供了有力支持。 然而,该领域仍面临 诸多 挑战,例如长期耐久性不足、成本效益化难度较大,以及对环境影响的理解尚不全面等问题。 因此,在开发下一代超浸润材料过程时,重点关注性能优化与环境考量之间的平衡具有重要意义。



近日, 伦敦玛丽女王大学陆遥教授和孟思宇博士 在纳米科技领域的顶级期刊《 ACS Nano 》发表题为“Superwettable Nanomaterials: Fabrication, Application, and Environmental Impact“的观点性文章。该文章 回顾并展望了超浸润材料技术的发展, 以及环境友好型表面材料的应用进展,重点分析了三种突出应用: 显著降低 维护用水 能源消耗的超疏水 及超双疏 织物、用于建筑温度调节的具有可切换润湿性的节能智能窗户,以及可最大限度减少化学污染的海洋防护涂层。 基于此,文章着重强调了 在开发下一代超浸润材料过程中性能优化与环境考量之间的关键平衡,并为未来技术发展提出了潜在的研究方向。

图 1. 自然界超浸润特征的代表性生物表面(I):蚊子复眼、沙漠甲虫翅鞘、棘蜥体表、蝉翼、仙人掌刺和水稻叶片的防水与自清洁特性。


图 2. 自然界超浸润特征的代表性生物表面(II):槐叶苹叶片、水蛛腹侧表面和弹尾虫表皮结构的空气保留和水下超疏水特性。


图 3. 基础超浸润表面结构:(a)微/纳米结构,(b)凹角结构,(c)双重凹角结构。


4. 超疏水纺织品制备策略:(a)氟化聚氨酯/氮化硼(FPU/BN)膜; b) 松香酸-二氧化硅(RA-SiO 2 )涂层; c)氟化共聚物改性棉织物;(d)H-SiO2/ZIF-67@棉织物(多功能抗菌疏水棉织物)。


5. 超双疏纺织品制备策略: a)FOTS-TiO 2 颗粒; b)一步法全疏涂层;(c)改性二氧化硅颗粒;(d)超双疏Fe 3 O 4 纳米颗粒;( e)可拉伸表面。


6. 润湿性可切换智能窗户(I): a)基于低临界溶解温度的可切换润湿性表面; b) 聚乙二醇修饰二氧化硅气凝胶( Si ag @PEG)透明绝缘复合材料。


7. 润湿性可切换智能窗户(II): a)超疏水磁响应微板阵列(SMMAs);(b)全液体排斥磁驱动可重构微快门(OLRMARS)双功能智能窗户;(c)碳纳米管-二氧化硅(CNTs-SiO 2 )杂化超疏水涂层。


8. 多功能海洋防护表面(I): a)聚乙烯亚胺/二氧化钛(PEI/TiO 2 复合表面;( b)跳虫启发抗润湿表面;(c)芽状颗粒超疏水涂层。


图 9. 多功能海洋防护表面(II):(a)用于泰勒-库埃(Taylor-Couette)系统的超疏水表面;(b)聚氨酯(PU)与多尺度颗粒水下自修复超疏水涂层;(c)金字塔形超疏水表面;(d)防冰和减阻应用的纳米复合材料(NMAD)表面。


超浸润纳米材料以其独特的极端润湿特性,成为了材料科学、表面工程和环境技术交叉领域中一个快速发展的研究热点,并在节能纺织品、智能窗户及海洋防护涂层等领域展现出广阔的应用前景。例如,无氟超疏水和超双疏织物的开发显著降低了洗涤与维护过程中的水耗与能耗,同时赋予材料自清洁、油水分离等多功能特性,延长了使用寿命并减少了资源浪费;具有可切换润湿性的智能窗户能够动态调节光线与热量透过率,优化建筑能效,降低空调与供暖系统的能源需求,为绿色建筑提供了创新解决方案;而超浸润表面在船舶和海洋设备上的应用则有效减少了阻力与生物污损,从而降低燃料消耗和化学防腐剂的使用,减轻了对海洋生态系统的负面影响。这些应用通过资源节约、能效提升与污染控制等多重途径,为环境可持续发展提供了重要支持。然而,该领域仍面临显著的可持续性挑战。尽管当前研究聚焦于提升超浸润表面的机械、化学与热耐久性,但其环境影响往往被忽视,尤其是耐久性液体排斥材料的分解和回收问题尚未得到有效解决,其废弃物可能在大规模工业化生产中引发环境风险。







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