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仿生超疏TiO2基结构表面的冷凝微滴自驱离研究进展
近年来，仿生超疏表面冷凝微滴自驱离性能(Condensate Microdrop Self-propelling, CMDSP)越来越受到广大研究人员的重视，作为一种典型的固液界面动态弹离的现象，对于其基础研究和众多应用，诸如自清洁，防覆冰，冷凝传热强化等，具有重要的研究意义。冷凝是工业生产中常见的一种现象，当常温水蒸气遇到低温基底时，容易冷凝形成液滴。对于冷凝来讲，膜状冷凝和滴状冷凝是两种主要的冷凝模式。相较膜状冷凝，滴状冷凝在相变传热方面是它的十倍左右。对于滴状冷凝来说，重力诱导是其主要的脱落方式，一旦冷凝液滴的直径达到临界值，冷凝液滴便会由于重力而脱落。有别于重力诱导脱落，冷凝微滴融合诱导驱离是一种很有效的滴状冷凝脱落模式，它不需要借助任何外力的驱动，而是通过液滴融合所释放的多余表面能来进行诱导。钛金属及其合金，作为重要的工程材料，具有优良的机械性能和抗腐蚀性能，并广泛地应用于医学、航空航天、军事等领域，但由于钛基底的热导率不高，不利于产生冷凝微滴自驱离现象。如果冷凝微滴长期附着在钛基底表面，很容易引起钛基底表面结冰等问题，严重影响飞机机翼等以钛基为主要材料的器件寿命，并容易引发严重事故。因此，设计出具有冷凝微滴自驱离性能的TiO2基纳米结构表面成为急需解决的问题。
图1：TiO2基纳米结构表面的冷凝微滴自驱离: a-e，规则纳米管阵列；f-j，不规则纳米管阵列；k-o，纳米分级结构阵列
近日，基于仿生超疏表面冷凝微滴自驱离研究，苏州大学赖跃坤教授课题组结合实验室的工作，通过在钛基底表面构造不同的TiO2基纳米结构，并在中科院苏州纳米仿生所高雪峰课题组相关测试仪器基础帮助下，开展了一系列冷凝微滴自驱离性能的相关研究。(1) 采用电化学阳极氧化方法在钛基底表面构造不同的TiO2基阵列膜层结构（规则纳米管，不规则纳米管，微纳分级结构），经过疏水化处理后，得到不同表面的接触角、滚动角、粗糙度和粘附力。(2) 通过观察冷凝微滴的融合过程，发现尽管三种表面都表现出优异的冷凝微滴自驱离性能，但融合弹离微滴的直径和密度却显著差异。通过数据分析和对比，他们讨论了表面形貌对冷凝微滴自驱离性能的影响，并提出了关于基底表面融合微滴自驱离的相关机理。经分析，微纳分级结构样品具有较高的粗糙度、极低的表面粘附力，同时拥有更多的亲水成核位点和更大的疏水区域，而发挥了更优异的冷凝微滴自驱离性能，确保了更小的微滴发生融合以后可快速弹离基底表面，避免进一步结霜结冰而引发的一系列问题。
图2：TiO2基纳米结构表面的冷凝微滴自驱离机理: a，规则纳米管阵列；b，不规则纳米管阵列；c，纳米分级结构阵列
相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201600687)。
该论文作者为：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 TiO2 Nanostructures
Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201600687