仿生超疏TiO2基結構表面的冷凝微滴自驅離研究進展

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近年來，仿生超疏表面冷凝微滴自驅離性能(Condensate Microdrop Self-propelling, CMDSP)越來越受到廣大研究人員的重視，作為一種典型的固液界面動態彈離的現象，對於其基礎研究和眾多應用，諸如自清潔，防覆冰，冷凝傳熱強化等，具有重要的研究意義。冷凝是工業生產中常見的一種現象，當常溫水蒸氣遇到低溫基底時，容易冷凝形成液滴。對於冷凝來講，膜狀冷凝和滴狀冷凝是兩種主要的冷凝模式。相較膜狀冷凝，滴狀冷凝在相變傳熱方面是它的十倍左右。對於滴狀冷凝來說，重力誘導是其主要的脫落方式，一旦冷凝液滴的直徑達到臨界值，冷凝液滴便會由於重力而脫落。有別於重力誘導脫落，冷凝微滴融合誘導驅離是一種很有效的滴狀冷凝脫落模式，它不需要藉助任何外力的驅動，而是通過液滴融合所釋放的多餘表面能來進行誘導。鈦金屬及其合金，作為重要的工程材料，具有優良的機械性能和抗腐蝕性能，並廣泛地應用於醫學、航空航天、軍事等領域，但由於鈦基底的熱導率不高，不利於產生冷凝微滴自驅離現象。如果冷凝微滴長期附著在鈦基底表面，很容易引起鈦基底表面結冰等問題，嚴重影響飛機機翼等以鈦基為主要材料的器件壽命，並容易引發嚴重事故。因此，設計出具有冷凝微滴自驅離性能的TiO2基納米結構表面成為急需解決的問題。

圖1：TiO2基納米結構表面的冷凝微滴自驅離: a-e，規則納米管陣列；f-j，不規則納米管陣列；k-o，納米分級結構陣列

近日，基於仿生超疏表面冷凝微滴自驅離研究，蘇州大學賴躍坤教授課題組結合實驗室的工作，通過在鈦基底表面構造不同的TiO2基納米結構，並在中科院蘇州納米仿生所高雪峰課題組相關測試儀器基礎幫助下，開展了一系列冷凝微滴自驅離性能的相關研究。(1) 採用電化學陽極氧化方法在鈦基底表面構造不同的TiO2基陣列膜層結構（規則納米管，不規則納米管，微納分級結構），經過疏水化處理後，得到不同表面的接觸角、滾動角、粗糙度和粘附力。(2) 通過觀察冷凝微滴的融合過程，發現儘管三種表面都表現出優異的冷凝微滴自驅離性能，但融合彈離微滴的直徑和密度卻顯著差異。通過數據分析和對比，他們討論了表面形貌對冷凝微滴自驅離性能的影響，並提出了關於基底表面融合微滴自驅離的相關機理。經分析，微納分級結構樣品具有較高的粗糙度、極低的表面粘附力，同時擁有更多的親水成核位點和更大的疏水區域，而發揮了更優異的冷凝微滴自驅離性能，確保了更小的微滴發生融合以後可快速彈離基底表面，避免進一步結霜結冰而引發的一系列問題。

圖2：TiO2基納米結構表面的冷凝微滴自驅離機理: a，規則納米管陣列；b，不規則納米管陣列；c，納米分級結構陣列

相關論文在線發表在Small(DOI: 10.1002/smll.201600687)。

該論文作者為：Songnan Zhang, Jianying Huang, Yuxin Tang, Shuhui Li, Mingzheng Ge, Zhong Chen, Keqin Zhang, Yuekun Lai

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201600687/abstract

Understanding the Role of Dynamic Wettability for Condensate Microdrop Self-Propelling Based on Designed Superhydrophobic TiO2Nanostructures

Small,2016, DOI: 10.1002/smll.201600687

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