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油水分離的新材料,竟然這么便宜!

在俄亥俄州哥倫布市的俄亥俄州立大學里,一塊不銹鋼柵網看起來算不上什么重要物件。然而,會引起未來環境清理的重大變革的源頭可能正是這塊不顯山露水的東西。

實驗中,研究者們把油水混合物倒在篩網表面,水很快就被過濾下來流入下方的燒杯里,而油就被收集留存在上方的織物一側,只要稍加傾斜,油就會滾入另一個預備好的燒杯里。

篩網表面的處理涂料是俄亥俄州立大學正研究中的一種新納米技術涂層。相關的研究(1/2)已經被發表在自然雜志通訊上。這種涂料的應用前景可以從清理油污一直說到探測地下石油儲量。俄亥俄杰出人才獎得主Bharat Bhushan信心百倍的表示,只要有足夠大的網,什么樣的油也都收來給你看!

這項工作部分算是受了蓮花葉子的啟發。但是,眾所周知自然狀態下的蓮花葉片抗水但不抗油。而Bhushan和博士后Philip Brown想要做出的是一種性質相反的材料,他們將納米級別的硅粉散布在不銹鋼表面從而創造出一個隨機的磨砂表面,再在磨砂狀的表面涂布上一層嵌有表面活性劑的聚合物(表面活性劑:肥皂,洗衣粉,洗發水這類產品中產生清潔效果的主要成分)。

硅粉、表面活性劑、聚合物和不銹鋼都是無毒且便宜的材料,大規模制造后,一平方英尺的這種篩網材料成本還不到一美元(一平米68塊,和便宜的地磚一個價)。

因為涂層只有大概幾百納米厚(數量級上大概是一張紙厚度的百分之一),涂層本身幾乎檢測不到,摸上去也感覺不到和沒有涂層處理的篩網有什么區別,不過涂層處理的篩網看起來可能沒有那么閃閃亮,因為涂層的透光率只有70%。研究人員選用二氧化硅部分是因為二氧化硅是魔力的成分,他們想要嘗試一下這種技術在制造可用于玻璃的透明抗污圖層上的潛力。目前能達到的70%的透光率在汽車后視鏡之類的場合還算是夠用,但對于多數的窗戶或是像智能手機的表面處理,這種效果還是不太能讓人滿意。


Bhushan表示研究的最終目標是達到90%的透光率,在制造出來的這些圖層中,不同組成物比例造成了不同的性質,關鍵就是選擇正確的添加比例。在某些合適的比例下,涂層會顯示出親油而非斥油的性質,擁有這樣性質的材料往大了說能用來探測地下石油儲量,往小了說可以清潔撒了一地的油污。

表面納米結構的形態也是影響最終效果的重要因素,在另一個實驗中研究助理Dave Maharaj將表面的納米硅替換成了二硫化鉬納米管,這種材料和油的混合效果就很好。Maharaj測定了換用材料后的表面摩擦系數,然后測試了這種材料在高壓下的表現。納米管結構天然的缺陷使得高壓下的表面納米管結構直接被撕裂,產生了一個相當光潔的表面,摩擦系數降得非常低。

Bhushan預測鉬合物能與油兼容的很好,加上鉬合物本身可以做到很低的摩擦,說不定還能成為液體潤滑劑的良好添加劑。而對微米、納米級別的器件來說,普通商業用潤滑油太粘稠,反而不利于他們高效運行,他估計在這種應用情景下鉬納米管倒是可以獨立作為潤滑劑減少摩擦。

這項工作在十多年前就開始了,那時候Bhushan開始模仿荷葉的紋理構建納米結構圖層,并取得了相關專利。從那時起,他領導著他的團隊不斷擴展這項技術可能的邊界和為不同的應用目標改造著手頭的材料,Bhushan野心勃勃的表示:“這么多年以來,我們研究了如此多的自然界已有表面結構,從葉片到蝴蝶翅膀到鯊魚皮來學習自然界是如何解決問題的,現在我們要更進一步,超越自然,解決面臨的新問題。”

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