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新型纳米材料可通过电信号调控防水/吸水特性

时间:2016-07-02 14:32 点击:

      近日,瑞士苏黎世大学的科学家团队研制出一种只需通过加电就能够实现防水/吸水两种状态下自由切换的新型材料。该研究发表在近期的Nature上。

 

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图1 蜂巢状氮化硼纳米网结构图:绿色球为氮原子、橙色球为硼原子,灰色球为铑原子(纳米网层间距3.2纳米)

      这种新材料由在铑基体上构造出蜂巢状的氮化硼(又称“白色石墨烯”)纳米网构成,单层纳米网厚度0.1纳米,网间距3.2纳米(如图1所示)。通过改变单层碳化硼的原子角度,能够在加电/不加电的情况下,实现从防水到吸水的转变。具体而言,该新材料可以通过改变纳米尺度的结构,改变原子表面的静态阻力(静摩擦),一种状态是高粘滞(吸水)、另一种状态则是低粘滞(防水),进而改变其吸水/防水状态。

      当对该材料施加电压时,氮化硼纳米网就会平整地铺展开,从而极大地改变水滴与材料接触角,表面张力不再能够维持液滴的重力,水分子就会透过纳米网。这个过程是由于向材料施加电流时,会使氢原子聚集在碳化硼和铑元素层之间,让纳米网面结构趋于平缓。为了观察这一过程,研究人员们使用了一台扫描隧道电子显微镜,区分蜂窝网面的形状(加电/不加电),及其与液体的直接接触过程。

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图2 水滴在材料表面的七个动态接触角测试结果叠加图(垂直的毛细管直径为0.85毫米)

      苏黎世大学教授乌尔思·格雷贝尔表示:理解和控制宏观/纳米尺度的相互作用,是纳米科学领域的巨大挑战。通过响应电信号的可调控,以及可观察接触角的纳米网结构模型,使我们能够更精准地理解液体表面摩擦力的基本现象。这或有助于我们更有效地解决“润滑”作用中的突发问题。

      这种电控行为已经在生物学上得到应用,可用于细胞微观层面的控制和处理,在创造新型复杂的人造多细胞排列等相关科学研究方面有较大的推动作用。此外,该研究也为构造微毛细血管泵提供了技术基础,可通过电信号对纳米级管道中的压力和流量进行控制。