
油水分離的新材料,竟然這么便宜!



在俄(e)亥俄(e)州哥(ge)倫(lun)布市的俄(e)亥俄(e)州立(li)大(da)學(xue)里,一塊不(bu)銹鋼柵網看起來算(suan)不(bu)上什么重要物件。然而,會(hui)引(yin)起未來環境(jing)清理的重大(da)變革的源頭可能正是(shi)這(zhe)塊不(bu)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(shai)網(wang)表面的處(chu)理涂(tu)料是俄亥俄州立大學正(zheng)研(yan)究(jiu)中的一種新納米技術涂(tu)層。相(xiang)關(guan)的研(yan)究(jiu)(1/2)已經(jing)被發表在自然雜志通(tong)訊上(shang)。這種涂料的應用前景可(ke)以從清理油污(wu)一直說到探測地(di)下石(shi)油儲量。俄(e)(e)亥(hai)俄(e)(e)杰出人才獎得主Bharat Bhushan信心百倍的表示,只要有足(zu)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(shi)研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最終(zhong)目標(biao)是(shi)達(da)到90%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)透光率(lv),在制(zhi)造出(chu)來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)這些圖層中,不(bu)同組(zu)成物比(bi)(bi)例(li)造成了(le)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性質,關鍵就(jiu)是(shi)選擇正確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)添加比(bi)(bi)例(li)。在某些合適的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)例(li)下,涂層會顯示(shi)出(chu)親油而非斥油的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性質,擁有這樣(yang)性質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料往大了(le)說能用(yong)來探測地下石油儲量(liang),往小了(le)說可以清潔撒了(le)一(yi)地的(de)(de)(de)(de)(de)(de)油污。
表(biao)(biao)面(mian)納(na)米結構(gou)的(de)(de)形態也(ye)是(shi)影響最(zui)終效果(guo)(guo)的(de)(de)重要因(yin)素,在另一(yi)個(ge)實驗(yan)中研究助(zhu)理(li)Dave Maharaj將表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)納(na)米硅替(ti)換成了二硫化鉬納(na)米管,這(zhe)種材(cai)料和油的(de)(de)混合效果(guo)(guo)就很好(hao)。Maharaj測(ce)定了換用(yong)材(cai)料后的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)摩擦(ca)系數,然(ran)后測(ce)試了這(zhe)種材(cai)料在高壓下的(de)(de)表(biao)(biao)現。納(na)米管結構(gou)天然(ran)的(de)(de)缺陷(xian)使得(de)高壓下的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)納(na)米管結構(gou)直接被撕裂(lie),產生了一(yi)個(ge)相當光潔的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian),摩擦(ca)系數降得(de)非常低。
Bhushan預測鉬(mu)(mu)合(he)物能(neng)與油(you)(you)兼容的(de)(de)很好(hao),加上鉬(mu)(mu)合(he)物本身可(ke)以(yi)(yi)做到很低的(de)(de)摩擦,說不(bu)定還能(neng)成為(wei)液體潤(run)滑劑(ji)(ji)的(de)(de)良好(hao)添加劑(ji)(ji)。而對微米(mi)、納米(mi)級(ji)別的(de)(de)器件來說,普通商業用潤(run)滑油(you)(you)太粘(zhan)稠,反而不(bu)利于(yu)他們(men)高效運(yun)行,他估計(ji)在(zai)這(zhe)種應用情景下(xia)鉬(mu)(mu)納米(mi)管倒是可(ke)以(yi)(yi)獨立作為(wei)潤(run)滑劑(ji)(ji)減少摩擦。
這(zhe)(zhe)項工作(zuo)在十多年前(qian)就開(kai)始了(le)(le),那時候Bhushan開(kai)始模(mo)仿荷葉(xie)的(de)(de)(de)紋理構(gou)建納米結(jie)構(gou)圖層,并取(qu)得了(le)(le)相關專利。從(cong)那時起,他領導著(zhu)他的(de)(de)(de)團隊不斷擴(kuo)展這(zhe)(zhe)項技術可能的(de)(de)(de)邊界(jie)和為不同的(de)(de)(de)應用(yong)目(mu)標(biao)改造著(zhu)手(shou)頭的(de)(de)(de)材料(liao),Bhushan野心勃勃的(de)(de)(de)表(biao)示:“這(zhe)(zhe)么(me)多年以(yi)來,我們(men)(men)研究了(le)(le)如(ru)此多的(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)然(ran)界(jie)已(yi)有(you)表(biao)面(mian)結(jie)構(gou),從(cong)葉(xie)片(pian)到蝴(hu)蝶(die)翅膀到鯊魚皮來學習自(zi)(zi)(zi)然(ran)界(jie)是(shi)如(ru)何解(jie)決問(wen)題的(de)(de)(de),現在我們(men)(men)要更(geng)進一(yi)步,超越自(zi)(zi)(zi)然(ran),解(jie)決面(mian)臨的(de)(de)(de)新問(wen)題。”