南开曹墨源/吉大朱轩伯《AFM》：仿生格子化超疏水折纸构筑的多功能漂浮载体

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来源：高分子科学前沿

水生植物奇妙的漂浮性质一直是启发科研工作者创新思考的灵感来源。相关研究团队分别于2017年和2022年提出了荷叶（Adv.  Funct. Mater. 2017, 27, 1701466）以及大薸（Mater. Horiz. 2022, 9,  1888）稳定漂浮能力的协同浸润性解释，为仿生漂浮载体的设计与构建提供了思路。此类漂浮载体有望在界面日光蒸发、微探测器和多相催化等多个领域发展提供有价值的载体材料。然而，目前同时兼具开放表面和漂浮能力的材料仍然面临着诸多挑战，包括抗淹没性、方向调节能力以及多功能集成性。



通过向自然界中的水黾和潜水钟蜘蛛学习，南开大学材料科学与工程学院曹墨源团队联合吉林大学化学学院朱轩伯团队，报道了一种仿生格子化超疏水折叠材料（Superhydrophobic  cellular  origami，简称为SCO）。该材料能够在保持开放界面的同时，具有卓越的浮力和稳定性。能够在水面具有良好的载重能力，在沉入水底之后也能浮回水面。并且通过精确调控折叠气室的结构和浸润性，SCO能够实现漂浮姿态控制，浮力控制以及结构控制等多功能可集成性漂浮。相关成果Bioinspired  Superhydrophobic Cellular Origami Exhibiting Improved and  Multifunctional Floatability发表于Advanced Functional Materials。论文的第一作者为博士研究生白浩宇，曹墨源研究员与朱轩伯副教授为论文的共同通讯作者。
 

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图1：SCO的设计理念。（a，b）仿材料的设计受到了水黾和潜水钟蜘蛛的启发。（c）相比于普通超疏水薄板，SCO不仅能够在水面上具有更强的浮力，即使浸没在水中，也可以漂浮回水面。（d）SCO和普通超疏水薄板的光学图像对比。比例尺为5毫米。（e）  SCO和其他材料（包括泡沫、气凝胶、超疏水薄板和SCO）的漂浮性能比较。


SCO卓越的漂浮能力可归因于其仿生超疏水表面和独特的折叠气室结构。将这两种特性相结合，就能实现水面大质量承重以及沉入水中的再次浮回水面的能力。其中超疏水折叠气室占据了主要作用，在SCO漂浮在水面上时，气室能够帮助SCO排出更多水。而当SCO沉入水中时，由于超疏水表面的限制，能够有效阻止气室内部的气体溢出，从而在浸没到水中之后也能保持足够的浮力使SCO浮回水面。相较之下，超疏水薄片在水面上承重是回出现一个水坑，排出的水能够保持浮力，然而，当材料沉入水中之后，只有超疏水表面形成的一层薄薄气膜能够提供浮力，难以使材料继续浮回水面。

 

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图2：SCO的下沉和上浮行为。（a，b）SCO的浸没和浮出过程。（c）浮力测量方法。（d）SCO在下沉和浮出水面时的浮力测量。（e）不同折叠角度的SCO的浮力。（f）SCO浸没机理的分析以及（g）水下浮力和折叠角度的关系，并和实际值相匹配。

为了表征材料的下沉和上浮行为，SCO被固定在测力计上，分别进行压入水中和浮出水面的运动，并在此过程中测量材料的浮力。由结果可知，无论是在水面上的承重能力，还是水下的浮力，SCO均优于普通超疏水薄板。此外，作者分析了材料在下沉过程中的机理，并计算了SCO在水中浮力和折板角度的关系。进一步解释了SCO具有优秀漂浮能力的原因，也指明了空气腔的增大浮力，增强稳定性的意义。
 

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图3：将SCO中引入隔板。（a，b）没有隔板和9个隔板的SCO的对比。（c，d）不同隔板数的SCO在水平下沉过程中的浮力对比。（e）不同隔板数的SCO在垂直下沉过程中的浮力对比。（f，g）隔板数增加能够提高浮力的机理，通过引入隔板，能够有效增加气室内部储存气体的体积，从而增强浮力。

为了进一步增强SCO的漂浮能力与稳定性，作者在超疏水折叠的基础上引入了隔板。通过实验表征证明，隔板的引入对于材料沉入水中的浮力具有很强的促进作用，并且随着下沉角度的增加，这种促进作用变得更加明显。此外，隔板的引入还能进一步提升气室对于气体的限制作用，从而有助于SCO在剧烈环境下保持充足的浮力和抗沉能力，不会轻易沉没。
 

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图4：SCO出色的浮水能力。（a）SCO能够在完全沉入水中之后迅速浮回水面，而超疏水平板在沉入水底之后不会上浮。（b）不同顶角SCO在水平沉入水底后的上浮速度。（c）COMSOL模拟SCO在上浮过程中所经历的翻转（d）不同顶角SCO在垂直沉入水中后的上浮速度。（e）即使采用金属作为基底，SCO仍然能够在沉入水底之后浮回水面。


SCO优秀的漂浮性能不仅限于水面优秀的抗沉性能，更重要的在于，即使沉入水底，由于气室的存在，也能使SCO保持浮力，迅速浮回水面。更重要的是，这种设计不受基底材料所限制，只要保持折叠结构和超疏水表面，即使采用金属作为SCO的基底，也能够实现在下沉之后迅速浮回水面。此外，作者采用COMSOL有限元模拟分析了SCO在上浮过程中所经历的受力情况以及运动轨迹，解释了SCO在上浮过程中发生翻转的原因。

 

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图5：向SCO中引入不对称Janus结构。（a）不对称Janus  SCO的结构和浸润性示意图。（b）不对称Janus SCO的水中自我调整能力。（c）不对称Janus  SCO能够发生翻转的机理。（d）COMSOL模拟。（e）将大量不对称Janus SCO反向沉入水中，结果全部发生了翻转。


为了应对更加复杂的应用情况，作者将SCO的结构中引入了不平衡的Janus结构。借助独立化的气室带来的优势，精准控制每个独立气室的浸润性，从而造成水中浮力和重力的不对称，实现SCO的定向翻转。无论是疏水面还是亲水面朝下沉入水中，材料均能实现水中位置的自我调控，最终实现疏水面朝上的形式浮出水面。这种设计对漂浮体有自我调整，固定方向上有特殊要求的应用环境有望能施展作为，例如日光蒸发等。

  

图6：多功能化的SCO。（a）通过可折叠铰链制备出的能够调控浮力的可折叠SCO。（b）即使将SCO做成圆柱形，也能够实现沉入水中之后浮回水面。（c）圆柱状SCO具有水上架设电缆的潜能。


为了进一步实现功能多样化，作者将可折叠结构引入了SCO，实现了浮力可调。此外，通过将超疏水气室结构与圆柱形相结合，实现了三维拓扑结构的高效漂浮，有望应用于漂浮微管路铺设等场景。本工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、天津市青年人才托举工程、以及南开大学科研启动经费的资助。


全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202400574