武大薛龍建團(tuán)隊(duì)《Chin. J. Chem.》：可用于減阻的仿魚皮Janus水凝膠涂層

更新時(shí)間：2024-01-22

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在眾多工程領(lǐng)域，如管道運(yùn)輸、微流體和航運(yùn)業(yè)，對(duì)減阻表面的需求正日益上升。在自然界中，魚類的魚鱗結(jié)構(gòu)和體表的粘液賦予了魚類優(yōu)異的水動(dòng)力特性和防污性能，這有利于它們捕食和躲避捕食者。受此啟發(fā)，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院薛龍建教授課題組聯(lián)合工業(yè)科學(xué)研究院趙焱教授設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有魚鱗結(jié)構(gòu)的Janus水凝膠涂層（JHC），該涂層由具有仿魚鱗結(jié)構(gòu)的減阻上表面（SLH）和較強(qiáng)黏附性能的下表面（STH）組成。相關(guān)研究成果以題為“Fish Skin-inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction"的文章發(fā)表在《Chinese Journal of Chemistry》（SCI一區(qū)，IF = 5.4）上。博士研究生張鈺榮為第一作者，薛龍建教授和趙焱教授為共同通訊作者。

作者首先通過摩方精密micro Arch® S230（精度：2 μm）打印了以翹嘴魚魚鱗為原型的仿生模板。結(jié)合模板法和光引發(fā)聚合合成了JHC（如圖1）。具體制備步驟分為兩步：（1）將JHC背面的STH預(yù)聚物溶液鋪展在玻璃基板上，并在紫外線照射（波長(zhǎng)365 nm）下固化；（2）將含有STH的基底覆蓋在已填充SLH預(yù)聚物溶液的魚鱗結(jié)構(gòu)負(fù)模板上，紫外固化后脫去負(fù)模板得到JHC。JHC完整復(fù)刻了3D打印的魚鱗結(jié)構(gòu)，且由于STH和SLH具有相同的主要化學(xué)成分，兩層水凝膠牢固地結(jié)合在一起。通過調(diào)控STH和SLH水凝膠體系中的單體、交聯(lián)劑和第二網(wǎng)絡(luò)聚合物含量，可以改變兩層水凝膠的交聯(lián)程度，進(jìn)一步控制涂層的黏-滑性能。

圖1. Janus水凝膠涂層（JHC）的概念和結(jié)構(gòu)。（a）仿翹嘴魚皮膚的JHC的設(shè)計(jì)策略。（b，c）JHC的（b）詳細(xì)制造工藝和（c）反應(yīng)機(jī)理的示意圖。圖（c）中的插圖：（i）紫外線下粘性水凝膠層（STH）的聚合機(jī)理。（ii）光滑水凝膠層（SLH）中的殼聚糖季銨鹽（CQAS）的物理交聯(lián)。（iii）SLH層中聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）[P（AA-co-AM）]的化學(xué)交聯(lián)。（iv）載玻片上的SLH（頂部）和STH（底部）層的粘附性能。JHC的（d）光學(xué)照片（e）3D輪廓圖像，（f-i）掃描電子顯微鏡圖片。

隨后，作者研究了STH層在法向和切向的黏附性能，并探討了殼聚糖季銨鹽（CQAS）濃度對(duì)STH剪切粘附性的影響（圖2）。P（AA-co-AM）豐富的氨基和羧酸基團(tuán)，有助于STH與各種表面之間的靜電相互作用和氫鍵的形成，賦予了其在陶瓷、玻璃、鋼、銅、紙箱、竹子和聚合物等表面的良好黏附性能。

圖2. JHC的粘附性能。（a）JHC從紙上剝離的照片。JHC中的STH層被亞甲基藍(lán)染色。（b）STH的剪切應(yīng)力-位移曲線。（b）中的插圖是試驗(yàn)的示意圖和試驗(yàn)后STH的照片。（c）CQAS濃度對(duì)STH的剪切應(yīng)力的影響。（d）STH和SLH的法向粘附力。（e）STH對(duì)各種表面的黏附能力。

SLH表面的摩擦力非常小。作者將5 g的砝碼放置在傾斜角為5°的JHC表面，砝碼迅速從SLH表面滑落。在10 mN的法向載荷下，紅寶石與SLH表面的摩擦力僅為2.77±1.51 mN。SLH在水下的摩擦力比干態(tài)下低18倍左右，這表明水在降低JHC的表面摩擦力中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過150 h的浸泡，SLH在水中的溶脹率僅為11 wt%，優(yōu)異的抗溶脹性能確保了仿魚鱗結(jié)構(gòu)在水下的穩(wěn)定性。當(dāng)CQAS含量為6 wt%時(shí)，SLH的力學(xué)性能優(yōu)異。通過圓珠筆穿刺、手術(shù)刀切割、拉伸、扭曲并拉伸、打結(jié)并拉伸等測(cè)試更是直觀展示了SLH的優(yōu)異力學(xué)性能。

圖3. 光滑水凝膠（SLH）的力學(xué)性能。（a）5 g砝碼從傾斜5°的JHC上表面滑落的照片。（b）10 mN的法向負(fù)載力下，STH和SLH的摩擦力。（c）在去離子水中浸泡不同時(shí)間后SLH的溶脹率。通過測(cè)量五個(gè)樣品的平均值獲得。具有不同濃度CQAS的SLH的（d）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（e）楊氏模量和（f）最大應(yīng)力。（g）SLH受圓珠筆穿刺、手術(shù)刀切割、拉伸、扭轉(zhuǎn)拉伸、打結(jié)拉伸的照片。比例尺為1 cm。

而后，作者采用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)研究了JHC的減阻性能（圖4）。與平面SLH相比，魚鱗結(jié)構(gòu)賦予JHC更短的水流速度梯度場(chǎng)，使水流到達(dá)無干擾速度的距離縮減了38.5%；且JHC表面上方相同距離處的流速均大于SLH平面上方的流速。

圖4. JHC的減阻。（a）粒子圖像測(cè)速儀（PIV）測(cè)試系統(tǒng)示意圖。（b，d）在（b）SLH平面和（d）JHC上的PIV測(cè)試照片。（b，d）中的白色光點(diǎn)是示蹤劑粒子。（c，e）分別基于PIV測(cè)試計(jì)算的（c）SLH平面和（e）JHC表面水流速度分布圖。（f）SLH平面和JHC的歸一化速度對(duì)比圖。

最后，作者通過水凝膠涂覆在3D打印的小船底部，探究了JHC的水下防污性能。結(jié)果表明，JHC在水下可以防止烷烴、芳香以及極性有機(jī)溶劑和金黃色葡萄球菌的黏附。由此可見，魚鱗結(jié)構(gòu)是水下防油污的關(guān)鍵，而殼聚糖季銨鹽是JHC抑制了生物黏附的關(guān)鍵。

圖5. JHC的防污性能。（a）SLH和JHC在水下與正己烷的接觸角。（b）JHC防污照片。正己烷、礦物油、甲苯和丙酮用油紅染色。（c-e）與金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)30 h的（c）PDMS、（d）SLH和（e）JHC表面的SEM圖像和（f）相應(yīng)的金黃色葡萄球菌覆蓋率。

結(jié)論：受魚鱗表面結(jié)構(gòu)和黏液的啟發(fā)，作者采用兩步紫外光照射成功制備了由STH層和SLH層組成的可用于減阻的JHC水凝膠涂層。以CQAS為物理交聯(lián)劑的STH層，在多種表面均具有較強(qiáng)的黏附性能。在SLH層中引入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，使得具有魚鱗結(jié)構(gòu)的SLH表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、抗溶脹、抗污染和減阻性能。