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化工学院研发出新型超级浮力材料

发布时间:2019-10-27 16:30:37

    哈工大报讯(刘忠奎/文) 自然界中水蜘蛛、水黾等生物可以在水面自由走动,而不会沉没。这一现象很早就被人们发现,并引起世界科学工作者的好奇。最近,我校化工学院潘钦敏副教授在美国化学会《应用材料与界面》月刊上发表了“用超疏水铜网制造的小船具有惊人的浮力”的论文。该论文模拟水黾腿部特殊结构,研制出新型超级浮力材料。这一研究成果得到美国化学会ACS weekly presspac高度评价,并受到了英国BBC、英国皇家化学会chemistryworld、美国National Geographical News、美国物理学会physorg、新华社、人民网、新华网等国内外多家媒体的关注。
    这项研究成果可望用于制造具有重要潜在应用前景的水上交通工具,如水上机器人、微型环境监测器等。由于超疏水结构能大幅度降低材料在水中甚至空气中的运动阻力,这些研究对设计高速水上、水下和空中交通工具也具有重要的参考价值。如果这项技术成功应用于水上、水下、天上交通工具,可以有效提高交通工具的速度,节省能源。
    在自然界中,水黾等小昆虫可以在水面自由行走而不溺水,其原因在于水黾腿部特殊的结构,即被称为微纳米结构。这种结构使水黾腿部周围被一层空气垫环绕,防止其腿部被水打湿,从而保证了水黾具有“水上飞”的能力。水黾腿部这种不被水打湿的特性被称作“超疏水”性质。向自然界学习,是人类开展科学研究的重要方法之一。科学家一直想模拟水黾的这一特性来制造新型水上交通工具,增加浮力,减少阻力。从理论上讲,经超疏水处理的水上交通工具,其在水中运行时阻力将更小,速度也更快,但传统超疏水材料所产生的浮力有限且不能大规模实际应用。而新型超级浮力材料在此方面获得了进展,使其实际应用变成了可能。
    化工学院研究人员采用多孔状铜网作为基材,并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”,然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理,使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮,且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量,甚至当“船”的“上弦”处于水面以下时也不会沉没。产生这些现象的原因在于船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”,改变了船与水的接触状态,防止船体表面被水直接打湿。另外,当这些微型船船体表面结构遭到破坏,如被尖锐物体划破时,可通过简单处理被修复。
    据悉,2006年,潘钦敏就已经着手准备该方面的研究。此前,他在国际杂志上发表了多篇此类文章,并获得了《在金属铜表面构筑超疏水结构的方法》发明专利,为超疏水材料研究提供基础。



用超疏水铜网制造的小船可产生惊人的浮力