北理工在《Nature》上合作發(fā)表封面文章：給超疏水表面披上“鎧甲”
發(fā)布日期：2020-06-24 供稿：機械與車輛學(xué)院
編輯：劉芳熙 審核：馮慧華、席軍強 閱讀次數(shù)：
6月3日，《Nature》正式刊發(fā)了北京理工大學(xué)周天豐教授與電子科技大學(xué)鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學(xué)Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被選為當期封面。該論文提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過在兩個結(jié)構(gòu)尺度上分別進行最優(yōu)設(shè)計，為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”，解決了超疏水表面機械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。
仿生荷葉的超疏水材料由于其獨特的固-液界面性質(zhì)，在表面自清潔、生物防污、防水抗結(jié)冰、流體減阻以及傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，隨之又發(fā)展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統(tǒng)理論。微/納米粗糙結(jié)構(gòu)在機械載荷下會產(chǎn)生極高的局部壓強，使其易碎易磨損。此外，磨損會暴露底層材料，改變表面的局部化學(xué)性質(zhì)使其從疏水性變成親水性，導(dǎo)致水滴釘扎。長期以來，人們認為表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性，正所謂“魚和熊掌，不可兼得”。因此，如何保證在擁有良好超疏水性能的同時，又能實現(xiàn)較強的機械穩(wěn)定性，是當前超疏水材料面對實際應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵難題。
微結(jié)構(gòu)鎧甲的設(shè)計
鎧甲化超疏水表面展現(xiàn)出優(yōu)秀的機械穩(wěn)定性
該論文基于全新思路，首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，并提出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。玻璃鎧甲化表面在集成高強度機械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時，還實現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率，為該表面應(yīng)用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創(chuàng)造了必要條件。北京理工大學(xué)發(fā)揮其在玻璃微納結(jié)構(gòu)制造方面的優(yōu)勢，利用玻璃模壓成形法實現(xiàn)了倒金字塔陣列微結(jié)構(gòu)的玻璃鎧甲制造。該論文創(chuàng)新的設(shè)計思路和通用的制造策略展示了鎧甲化超疏表面非凡的應(yīng)用潛力，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應(yīng)用。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2331-8
倒金字塔陣列微結(jié)構(gòu)的玻璃鎧甲制造
此外，周天豐團隊在兩級微納結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域取得新進展。國際材料領(lǐng)域頂級期刊《Materials and Design》發(fā)表了北京理工大學(xué)周天豐教授在兩級虹彩結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果“Generation of high-saturation two-level iridescent structures by vibration-assisted fly cutting”。
微納兩級虹彩結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造
該研究成果中，周天豐團隊設(shè)計制造了微溝槽組成的衍射光柵微納兩級結(jié)構(gòu)，建立了兩級結(jié)構(gòu)形狀與衍射顏色的映射關(guān)系，并通過編碼可以直接誘導(dǎo)出虹彩圖案。團隊首次提出了變頻振動輔助飛刀切削加工（VAFC）方法，開發(fā)了VAFC試驗平臺，通過數(shù)值模擬仿真優(yōu)化加工參數(shù)，實現(xiàn)了具有高飽和度和均勻性的兩級虹彩結(jié)構(gòu)高效超精密制造。該微納兩級結(jié)構(gòu)有望在多色印刷，微顯示器/投影儀，商標防偽，隱形隱身方面得到應(yīng)用。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108839
附作者簡介：
周天豐，男，漢族，中共黨員，工學(xué)博士，北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院教授、醫(yī)工融合研究院PI，博士生導(dǎo)師，“青年973首席科學(xué)家”，入選“高層次人才計劃”和“霍英東教育基金”支持計劃。專注于“微納結(jié)構(gòu)機械制造”研究，在新型模具材料制備、微納模具制造和精密模壓成形工藝及裝備方面取得了創(chuàng)新性成果，并開拓微納結(jié)構(gòu)在光學(xué)探測/制導(dǎo)、光纖通信、醫(yī)療器械中的應(yīng)用。
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