江雷院士、田野研究员团队系统提出“超铺展”概念

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近日，中科院理化所江雷院士、田野研究员团队在Accounts of Chemical Research期刊以Bioinspired superspreading surfaces: from essential mechanism to application为题发表综述论文，系统提出了超铺展概念及其表征方法，综述了超铺展表面的本质机理及研究进展，总结了超铺展的应用领域，展望了领域内遗留的重大挑战及发展方向。
　　根据Thomas Young在1805年提出的杨氏方程，热力学稳态接触角被广泛用于表征表面浸润性，并根据其定义宏观稳态接触角小于5°的表面为超亲液表面。但该表征方法在描述液体的动力学铺展过程时，显示出巨大的局限性。
　　江雷院士团队之前已经对液体动态铺展过程进行了研究，并将其应用于薄膜制备、分离、散热等领域。在这些研究中发现表面的性质主要由液体的动力学动态铺展速度主导，而不是热力学上的超亲性。在此基础上，在该综述中正式提出，在描述液体动力学铺展过程时，应该使用超铺展（Superspreading）这一概念，而不是经典的超亲液概念（Superhydrophilic/ Superlyophilic），并建议使用超铺展时间（Superspreading time，ST，一滴液滴从接触表面到完全铺展至接触角达到0°所需要的时间）或者铺展半径随时间变化曲线（Superspreading Radius versus Spreading Time, SRST）来定量表征这些表面的动力学铺展性质。作者倾向于使用体积为2 μL的液滴，此时液体的尺寸小于其毛细长度，其主要动力学行为受表面张力驱动而忽略重力的影响。  　　

图1 自然界中的超铺展表面

　　文章首先介绍了经过亿万年进化后自然界中选择留下的各种优异的超铺展表面：动物角膜、宣纸等。这些自然界中的超铺展表面的优异性能直接决定了其正常作用的发挥甚至其生理功能。总的来看，这些自然表面都使用了微纳复合的多尺度结构来实现优异的超铺展性能。之后从分子尺度的表面自组装水分子结构引起的新的亲疏水界线（65°）到纳米结构和微观结构在超铺展过程中的宏观各自作用，详细综述了超铺展本质机理研究的最新进展。进一步总结了常用的超铺展表面制备方法、介绍了超铺展表面的应用领域，提出了超铺展体系，最后总结了该领域存在的挑战。
　　超铺展领域的研究才刚刚开始，近年来尽管取得了快速的发展，但仍存在大量的瓶颈问题：机理方面，表面水分子的结构与传统热力学中使用的固-气、固-液表面张力的联系仍非常模糊；如何从动力学角度理解纳米结构对超铺展阈值的影响仍是一大难题。应用方面，超铺展表面的长期稳定性仍是一大瓶颈，尤其对于暴露在空气中的表面；大面积超铺展表面的制备成本也较高，限制了其大规模应用。
　　该文章通讯作者为中科院理化所田野研究员，第一作者为中科院理化所苗伟宁博士。


       文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00042


        文章来源：理化所
        田野，中国科学院理化技术研究所研究员。2006年毕业于东北师范大学化学学院，获学士学位。2011年7月毕业于中国科学院化学研究所，获物理化学博士学位，师从江雷院士。2011年7月加入中国科学院化学研究所。2018年7月加入中国科学院理化技术研究所。目前的研究领域是具有纳米通道结构的仿生超浸润纳米材料，尤其是超双亲纳米材料的制备及应用研究。共发表SCI论文50余篇，包括Nat. Mater. 1篇，Nat. Commun. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇，Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，Adv. Mater. 2篇。2016年入选中国科学院青年创新促进会会员，2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助。
      江雷，中科院院士，中国科学院理化研究所研究员。自1999年回国以来，一直从事具有特殊浸润性的仿生多尺度界面材料的研究工作。撰写专著2部，发表SCI论文400余篇，其中IF > 6的186篇，被SCI引用18500余次，H因子为66，论文13次作为 Highlight 在 Science、Nature 及其系列杂志报道，30余次被选作杂志的封面。重要论文包括：Nature（2篇），Nat. Mater. (1篇)，Nat. Nanotechnol.（1篇），Nat. Comm. (1篇)，Chem. Soc. Rev. （4篇），Acc. Chem. Res.（3篇），Angew. Chem.（22篇），Adv. Mater.（54篇）, J. Am. Chem. Soc.（19篇），Adv. Func. Mater.（19篇），已授权专利50余项。