水最可怕的噩梦：超疏水材料的兴起
水最可怕的噩梦：超疏水材料的兴起
图1：通过接枝碳氢链，金属有机框架材料可以形成具有高熵状态的超疏水表面，从而显著降低水的附着力。
图2：左图显示了具有较小水接触角的多孔基底，表面会吸收大量液体；右图展示了新型超疏水材料，其具有较大的水接触角，几乎完全排斥水滴。
德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和印度古瓦哈蒂理工学院（IITG）的科学家们开发出一种几乎完全排斥水滴的新型表面材料。这种材料采用了一种创新工艺，通过在金属有机框架（MOFs）材料上接枝碳氢链，使其具备超疏水特性。研究结果于2024年11月15日发表在《材料视野》（Materials Horizons）杂志网站上。
MOF的超疏水表面
金属有机框架（MOFs）是由金属离子通过有机连接剂连接而成，形成多孔的海绵状结构。它们具有惊人的表面积，仅2克MOFs就可以覆盖一个足球场大小的面积，这使得它们在气体储存、二氧化碳分离和先进的医疗技术等领域具有重要应用价值。
研究人员通过将碳氢化合物链接枝到MOF薄膜上，成功制造出一种接触角超过160度的防水材料。更高的接触角意味着更好的疏水性，因为水滴会形成接近球形而不是散开。
KIT功能界面研究所的克里斯托夫·沃尔教授解释说：“通过我们的方法，我们能够获得接触角明显高于其他光滑表面和涂层的超疏水表面。虽然MOF粉末颗粒的润湿特性之前已经被探索过，但将单片MOF薄膜用于这一目的是一个开创性的概念。”
下一代“超疏水”材料
研究小组将这些结果归因于MOFs上碳氢化合物链的刷状排列（聚合物刷）。在被接枝到MOF材料上后，它们倾向于形成一种无序状态，科学家称之为高熵状态，这对其疏水性至关重要。科学家们断言，这种接枝碳氢化合物链的状态在其他材料上是观察不到的。
值得注意的是，即使使用全氟烃链进行接枝，即用氟取代氢原子，水接触角也没有增加。在聚四氟乙烯（Teflon）等材料中，全氟化会带来超疏水性。然而，在新开发的材料中，它显著降低了水的接触角。计算机模拟的进一步分析证实，与碳氢化合物链相反，全氟化分子不可能处于能量有利的高熵态。
从表面粗糙度和理论分析的见解
此外，科学家们在纳米范围内改变了SAM@SURMOF系统的表面粗糙度，从而进一步降低了水的粘附强度。即使倾角非常小，水滴也开始滚出，其疏水性和自清洁性能显著提高。
IITG化学系的乌塔姆·曼纳教授说：“我们的工作还包括详细的理论分析，将实验中显示的意外行为与接枝到MOF薄膜上的分子的高熵状态联系起来。这项研究将改变具有最佳疏水性的下一代材料的设计和生产。”
这项研究不仅展示了MOFs在超疏水材料领域的创新应用，还为设计和生产具有最佳疏水性的下一代材料提供了新的思路和方法。这种新型超疏水材料有望在汽车、建筑物等需要抵御环境影响的自清洁表面领域发挥重要作用。