在眾多工程領域，如管道運輸、微流體和航運業，對減阻表面的需求正日益上升。在自然界中，魚類的魚鱗結構和體表的粘液賦予了魚類優異的水動力特性和防污性能，這有利于它們捕食和躲避捕食者。受此啟發，武漢大學動力與機械學院薛龍建教授課題組聯合工業科學研究院趙焱教授設計開發了一種具有魚鱗結構的Janus水凝膠涂層（JHC），該涂層由具有仿魚鱗結構的減阻上表面（SLH）和較強黏附性能的下表面（STH）組成。相關研究成果以題為“Fish Skin-inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction"的文章發表在《Chinese Journal of Chemistry》（SCI一區，IF = 5.4）上。博士研究生張鈺榮為第一作者，薛龍建教授和趙焱教授為共同通訊作者。
作者首先通過摩方精密micro Arch® S230（精度：2 μm）打印了以翹嘴魚魚鱗為原型的仿生模板。結合模板法和光引發聚合合成了JHC（如圖1）。具體制備步驟分為兩步：（1）將JHC背面的STH預聚物溶液鋪展在玻璃基板上，并在紫外線照射（波長365 nm）下固化；（2）將含有STH的基底覆蓋在已填充SLH預聚物溶液的魚鱗結構負模板上，紫外固化后脫去負模板得到JHC。JHC完整復刻了3D打印的魚鱗結構，且由于STH和SLH具有相同的主要化學成分，兩層水凝膠牢固地結合在一起。通過調控STH和SLH水凝膠體系中的單體、交聯劑和第二網絡聚合物含量，可以改變兩層水凝膠的交聯程度，進一步控制涂層的黏-滑性能。
圖1. Janus水凝膠涂層（JHC）的概念和結構。（a）仿翹嘴魚皮膚的JHC的設計策略。（b，c）JHC的（b）詳細制造工藝和（c）反應機理的示意圖。圖（c）中的插圖：（i）紫外線下粘性水凝膠層（STH）的聚合機理。（ii）光滑水凝膠層（SLH）中的殼聚糖季銨鹽（CQAS）的物理交聯。（iii）SLH層中聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）[P（AA-co-AM）]的化學交聯。（iv）載玻片上的SLH（頂部）和STH（底部）層的粘附性能。JHC的（d）光學照片（e）3D輪廓圖像，（f-i）掃描電子顯微鏡圖片。
隨后，作者研究了STH層在法向和切向的黏附性能，并探討了殼聚糖季銨鹽（CQAS）濃度對STH剪切粘附性的影響（圖2）。P（AA-co-AM）豐富的氨基和羧酸基團，有助于STH與各種表面之間的靜電相互作用和氫鍵的形成，賦予了其在陶瓷、玻璃、鋼、銅、紙箱、竹子和聚合物等表面的良好黏附性能。
圖2. JHC的粘附性能。（a）JHC從紙上剝離的照片。JHC中的STH層被亞甲基藍染色。（b）STH的剪切應力-位移曲線。（b）中的插圖是試驗的示意圖和試驗后STH的照片。（c）CQAS濃度對STH的剪切應力的影響。（d）STH和SLH的法向粘附力。（e）STH對各種表面的黏附能力。
SLH表面的摩擦力非常小。作者將5 g的砝碼放置在傾斜角為5°的JHC表面，砝碼迅速從SLH表面滑落。在10 mN的法向載荷下，紅寶石與SLH表面的摩擦力僅為2.77±1.51 mN。SLH在水下的摩擦力比干態下低18倍左右，這表明水在降低JHC的表面摩擦力中發揮了重要作用。經過150 h的浸泡，SLH在水中的溶脹率僅為11 wt%，優異的抗溶脹性能確保了仿魚鱗結構在水下的穩定性。當CQAS含量為6 wt%時，SLH的力學性能優異。通過圓珠筆穿刺、手術刀切割、拉伸、扭曲并拉伸、打結并拉伸等測試更是直觀展示了SLH的優異力學性能。
圖3. 光滑水凝膠（SLH）的力學性能。（a）5 g砝碼從傾斜5°的JHC上表面滑落的照片。（b）10 mN的法向負載力下，STH和SLH的摩擦力。（c）在去離子水中浸泡不同時間后SLH的溶脹率。通過測量五個樣品的平均值獲得。具有不同濃度CQAS的SLH的（d）拉伸應力-應變曲線，（e）楊氏模量和（f）最大應力。（g）SLH受圓珠筆穿刺、手術刀切割、拉伸、扭轉拉伸、打結拉伸的照片。比例尺為1 cm。
而后，作者采用粒子圖像測速系統研究了JHC的減阻性能（圖4）。與平面SLH相比，魚鱗結構賦予JHC更短的水流速度梯度場，使水流到達無干擾速度的距離縮減了38.5%；且JHC表面上方相同距離處的流速均大于SLH平面上方的流速。
圖4. JHC的減阻。（a）粒子圖像測速儀（PIV）測試系統示意圖。（b，d）在（b）SLH平面和（d）JHC上的PIV測試照片。（b，d）中的白色光點是示蹤劑粒子。（c，e）分別基于PIV測試計算的（c）SLH平面和（e）JHC表面水流速度分布圖。（f）SLH平面和JHC的歸一化速度對比圖。
最后，作者通過水凝膠涂覆在3D打印的小船底部，探究了JHC的水下防污性能。結果表明，JHC在水下可以防止烷烴、芳香以及極性有機溶劑和金黃色葡萄球菌的黏附。由此可見，魚鱗結構是水下防油污的關鍵，而殼聚糖季銨鹽是JHC抑制了生物黏附的關鍵。
圖5. JHC的防污性能。（a）SLH和JHC在水下與正己烷的接觸角。（b）JHC防污照片。正己烷、礦物油、甲苯和丙酮用油紅染色。（c-e）與金黃色葡萄球菌共培養30 h的（c）PDMS、（d）SLH和（e）JHC表面的SEM圖像和（f）相應的金黃色葡萄球菌覆蓋率。
結論：受魚鱗表面結構和黏液的啟發，作者采用兩步紫外光照射成功制備了由STH層和SLH層組成的可用于減阻的JHC水凝膠涂層。以CQAS為物理交聯劑的STH層，在多種表面均具有較強的黏附性能。在SLH層中引入化學交聯劑MBAA，使得具有魚鱗結構的SLH表現出優異的力學強度、抗溶脹、抗污染和減阻性能。
更新時間：2024-01-22
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