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Hand in hand! 柔性聚合物PEO联手表面活性剂打败超疏水植物叶片沉积问题
2019-07-12 来源:中国流变网    点击次数:593次    

  2019年7月3日,河南农业大学宋美荣教授、中国科学院理化技术研究所董智超博士、中国科学院化学研究所王毅琳研究员等作为共同通讯在ACS nano上发表增强液滴在线条和弯曲超疏水植物叶片上的沉积(Enhancing Droplet Deposition on Wired and Curved Superhydrophobic Leaves)一文,该工作得到了江雷院士的指导。

  水滴在超疏水叶片上极易反弹和溅射,接触时间极短(毫米级别水滴为10毫秒),因此增强水滴在超疏水叶片上的沉积问题对提高农用化学品的利用率、减少浪费和环境污染等有非常重要的意义。该研究团队曾于2017年在Science Advances上发表囊泡性表面活性剂AOT有效抑制超疏水平面上弹射和溅射问题(Sci. Adv., 2017, 3, e1602188)。但是农民面临的情况可能更加严重,因为超疏水叶片如水稻、小麦、花菜、甘蓝上面有很多单条纹、交叉条纹、平行条纹或者弯曲结构,可以诱发各向异性铺展和回撤,水滴的接触时间将继续降低50%左右,变得更容易反弹和溅射,这将极大增加水滴沉积的难度。该研究团队仔细总结了水滴撞击在条纹和弯曲结构超疏水表面的共同特点(水滴撞击时在某个方向上动量集中,伸长率增大且容易分裂,导致接触时间降低),制定了解决问题的顺序是“分裂——持留——铺展”:首先采用极少量(<0.01%)具有显著拉伸粘度的高分子量的聚合物稀溶液(如PEO)来抑制伸长,从而控制水滴分裂;同时添加少量表面活性剂如AOT,来增强钉扎效应(Pinning), 留住水滴(<0.1%);最后,当水滴留在基底上,那些在水滴内部的表面活性剂分子就可以有充足的时间迁移到水滴表面来降低平衡表面张力,从而慢慢浸润叶片,获得较大的润湿铺展面积。

图1 水滴在单条纹超疏水表面的沉积策略(左图)以及在水稻背面的证实(右图)

  实验完全证实了该团队的研究思想和策略,聚合物PEO和表面活性剂AOT成功解决了水滴在条纹和弯曲超疏水叶片上的各向异性沉积问题。该论文提出的通过分析撞击动力学特征合理制定沉积策略的思想,不仅可以快速选择现有助剂解决沉积问题,而且降低了沉积对动态表面张力的要求,不用那么低就可以沉积,极大降低了表面活性剂的用量,和扩展了表面活性剂可选的种类,使沉积变得更容易。

图2 组合助剂增强水滴在条纹(水稻、花菜)和弯曲(葱)以及平面对照(甘蓝)超疏水植物叶片上的沉积

  此外,作者也证实了该组合助剂在狗尾巴草、仿生超疏水条纹和弯曲表面以及各种仿生超疏水表面上,甚至在解决弹性超疏水表面的沉积问题上也是有效的。

  本工作受到了国家自然科学基金(21703058, 21703270 and 21805072)、河南省重点研发(192102110053)、河南省青年骨干教师(2017GGJS03)、现代农业技术体系((CARS-04-PS23))河南农业大学特殊创新基金(KJCX2019C05)、国家级大学生创新创业实验 (20171046636)等联合资助,在此一并致谢。

  参与本论文工作的所有作者如下:

  宋美荣(通讯作者),段虎(研究生),郑先福,王丽霞,于智伦(本科生),安万凯,那日松,李储鑫,李宁,卢周卉,董智超(通讯作者),王毅琳(通讯作者),江雷

  论文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02457

 
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