吉林大学汪大洋教授团队AFM：全能自清洁涂层！

不知道读者们有没有想象过这样一个表面：它无论沾到任何“脏东西”，都能通过用水简单冲洗而重新变得干净如新。这种“出淤泥而不染”的表面性能，在物理化学中被称为自清洁。表面自清洁性能的好坏与很多因素有关，其中表面极性基团自身的水合能力以及其与最近的非极性基团具有各向同性的分子构型是赋予纳米级光滑的亲水表面自清洁功能的两个先决条件。

然而，表面极性基团的分子堆积密度的定量调节可以控制满足先决条件的表面极性基团强而持久的水合能力与其宏观亲水性间的转换。针对上述问题，吉林大学化学学院汪大洋教授团队成功地利用聚氯乙烯磺酸盐(PVS)通过简单的静电沉积创建全能自清洁涂层，当表面极性基团的分子堆积密度被调整到接近0.9时，这被认为是在二维紧密堆积的球体所期望的最大堆积密度。由于表面磺酸基的超致密包装，PVS单层涂层能够有效地吸附周围环境中的水分子，形成明显的氢键网络，这不仅有助于水在空气中的积极润湿，还有助于在水作用下轻松去除冰、油脂和蜡。如此得到的PVS单层涂层能够实现超亲水性表面的几乎所有自清洁功能，从防雾到防结冰、防油脂、防污迹、防涂鸦和防蜡。

自清洁、pvs覆盖表面的构造

层层组装（Layer-by-Layer）技术是一种简易的表面修饰方法，通过将基底交替浸泡在带有相反电荷的聚电解质溶液中，便可以获得聚电解质多层膜（PEMs）。他们在本次工作中便用此方法构造薄膜，其中，为了生产均匀的聚阴离子涂层，(PDADMAC/PSS)3.5聚电解质多层膜(PEMs)首先在硅片上生长，因为它们的体相没有多余的离子基团，它们的自由季铵盐阳离子基团只位于最外层的PDADMAC层。并在(PDADMAC/PSS)3.5 PEMs上进行了PVS和PSS链的重复沉积。获得了最外层PVS堆积密度不同的PVSn-CSs表面皿。

图1 在聚电解质多层膜表面构筑PVS表面的示意图

PVSn-CSs表面自清洁性能的分子机理：表面极性基团的分子堆积密度

他们致力于评估PVSn-CSs表面磺酸基的分子堆积密度，以更好地理解其自清洁功能的对n依赖性。这里，PVSn-CSs表面磺酸基(fp)的分子堆积密度(fp)分别来源于它们在空气中的润湿性和它们沉积在上面的PVS质量，具体记为。用浸润性（空气中水的接触角）和质量（SDS滴定法结合QCM-D）来定义的表面磺酸基堆积密度。最后得到结论：尽管磺酸基具有良好的水化作用，但只有当表面磺酸基的分子堆积密度非常接近二维紧密堆积球的理论最大值(0.9)时，磺化表面才能达到超亲水性。

图 2 不同表面的水合作用强弱及其分子尺度原理理解

图3 磺酸根亲水表面的两种不同定义的分子堆积密度

PVSn-CSs自清洁应用

这种简单静电沉积衍生的超亲水性PVS(单层)涂层，它能够执行几乎所有的自清洁表面功能，包括防雾、防冰、防油脂、防污迹、防涂鸦和防蜡。

图4 不同分子堆积密度的磺酸根表面多用途的自清洁功能

在过去的几年中，该团队利用具有各向同性以及各向异性的分子构型的不同聚合物表面观察并解释了表面重构对表面亲水性的影响（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4851），构筑了基团自身水合能力以及分子构型与表面亲水性的分子浸润理论模型（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9053）（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14466），并利用该模型指导并设计自清洁功能表面，推动了浸润技术的应用与发展。该工作揭示了第三个分子设计标准——表面极性基团分子堆积密度与表面浸润性的敏感依赖性，通过定量调节有机极性表面的亲水性以满足不同自清洁应用的要求。让我们不仅能设计超亲水性表面，而且不需要精心设计表面纳米结构，利用简单的聚电解质，如PVS作为涂层材料，以实现通用的自清洁功能。目前的PVS涂层在许多应用中具有巨大的前景，特别是在需要结合几种自清洁功能来提高技术性能时，例如在手术过程中的内窥镜成像。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202301085

来源：高分子科学前沿

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