吉林大學汪大洋教授團隊 AFM：依賴于表面極性基團分子堆積密度的可調控的自清潔涂層
2023-05-23 來源：高分子科技
表面極性基團自身的水合能力以及其與最近的非極性基團具有各向同性的分子構型是賦予納米級光滑的親水表面自清潔功能的兩個先決條件。然而，表面極性基團的分子堆積密度的定量調節可以控制滿足先決條件的表面極性基團強而持久的水合能力與其宏觀親水性間的轉換。由分子堆積密度接近0.9的極性基團構筑的超親水表面可以實現多種自清潔功能（從防霧到防冰、抗油脂、抗污漬、抗涂鴉以及抗蠟粘附）。
）以及質量定義的分子堆積密度（
）與表面自清潔性能關系的分子作用機制模型。當表面磺酸根基團緊密排列（分子堆積密度值接近0.9——二維緊密堆積的球體所期望達到的最大堆積密度）時，PVS涂層能夠有效地吸附周圍環境中的水分子，形成完整的氫鍵網絡，進而完全屏蔽表面非極性部分對表面水合作用的不良貢獻（圖2）。這不僅有助于PVS表面在空氣中被水充分浸潤，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。從而使該涂層能夠實現幾乎所有的（從防霧到防冰、抗油脂、抗污漬、抗涂鴉以及抗結蠟）自清潔功能（圖4），這是目前文獻報道的其他超親水性表面很難實現的。此外，調控表面磺酸根的分子堆積密度可以實現表面不同的自清潔功能（圖5）。防霧功能的實現需要表面磺酸根的浸潤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的分子堆積密度高于二維球體隨機堆積的最大密度（0.67）。而防冰和抗結蠟功能由于對表面存在的非極性部分的敏感性，要求表面磺酸根基團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”為題發表在 《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2301085）。文章第一作者是吉林大學博士生王蓉。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖1 在聚電解質多層膜表面構筑PVS表面的示意圖
圖 2 不同表面的水合作用強弱及其分子作用機制
圖3 磺酸根親水表面的浸潤性定義（
）以及質量定義（
）的分子堆積密度
）以及質量定義（）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表面極性基團的分子堆積密度的依賴性
該工作是汪大洋團隊近期關于從分子水平設計并調控表面浸潤行為的最新進展之一。在過去的幾年中，該團隊利用具有各向同性以及各向異性的分子構型的不同聚合物表面觀察并解釋了表面重構對表面親水性的影響（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4851），構筑了基團自身水合能力以及分子構型與表面親水性的分子浸潤理論模型（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9053）（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14466），并利用該模型指導并設計自清潔功能表面，推動了浸潤技術的應用與發展。該工作揭示了第三個分子設計標準——表面極性基團分子堆積密度與表面浸潤性的敏感依賴性，通過定量調節有機極性表面的親水性以滿足不同自清潔應用的要求。總之，以表面極性基團的穩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計準則幫助我們構筑無需精心設計的表面納米結構的超親水表面，并且利用簡單的聚電解質（如PVS）作為涂層材料，可以實現多種自清潔功能。介于各種簡單的自動化技術（如噴涂、旋涂等）便可以實現工業規模的靜電沉積，目前的PVS涂層具有巨大的應用前景，特別是在需要結合幾種自清潔功能以解決技術問題時，例如外科手術期間體內的內窺鏡成像。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301085
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（責任編輯：xu）
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