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)了北京理工大學周天豐教授與電子科技大學鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學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性質(zhì)使其從疏水性變成親水性，導致水滴釘扎。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用潛力，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。
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，工學博士，北京理工大學機械與車輛學院教授、醫(yī)工融合研究院PI，博士生導師，“青年973首席科學家”，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)在光學探測/制導、光纖通信、醫(yī)療器械中的應用。
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