神奇的“排斥水分子”技术:超疏水材料

来源:中国军网作者:程宇一 赵艳斌责任编辑:伍行健
2018-06-07 15:02
“水泼不进”的超疏水材料

一盆水泼向一块金属板,水珠像钢珠一样滚落,金属板仍然干爽;一只船桨浸入水中,拿出来时竟然未带起一滴水珠;一杯水倒在一块玻璃板上,水滴紧紧靠在中央抱成一团,即使用手搅出来一两滴,它们也立即“跑”回去……

这些现象肉眼看上去违背我们的常识,背后其实是超疏水材料在“作怪”。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型技术,作为涉及生物、物理、化学以及材料等多学科交叉的科技前沿,目前在科学研究、军事应用和民用生产等诸多领域都拥有极为广泛的发展前景。

20175月,德国弗莱堡大学开发出一种具有多层结构的自愈型超疏水涂层。这种超疏水材料通过模仿鲨鱼皮结构以获得良好的水下减阻性能,其表面具有类似蛇褪去外皮的特性,可实现表面受损后超疏水性的快速自愈,从而为舰船、飞机和战车提供兼具耐久性的防水、防结冰、自清洁能力。此外,随着增材制造、材料计算与模拟仿真等技术的深度融合,大大简化了超疏水材料表面微结构的设计、构造与控制难度,使得超疏水材料的制备快速精准,结构和性能科学可控,大幅缩短了材料研制周期,降低了研发成本。目前,在科技的“催化”下,超疏水材料将日趋契合未来战场的进化需求,不再作为一种单一的特殊材料,而将被赋予越来越多的战场职责。

——舰体防腐蚀、防冰封、自清洁

超疏水涂层可以阻断水分与金属材质的接触以及防止海洋生物在舰船表面的附着,从而缓解舰艇水线以上部分的氧化腐蚀,并能够使表面的水滴在滚落时清洁脏污,保持材料表面干净。此外,超疏水材料特殊的粗糙结构和化学组成,使得其表面表现出良好的防覆冰和防黏附行为。且由于其兼具能耗低、适用范围广、环境友好等优点,其在航空、舰船、电力,通信、能源等领域的防结/覆冰雪方面同样显示出潜在的应用前景。

——应用实战环境,遂行多样任务

超疏水(超疏油)布料可以在温度为-20℃的冷水中,为士兵提供长达24小时的保护,极大避免了空降兵、特种兵等作战力量被突然投放在低温水域中导致体温下降,引发不必要的战场伤亡。同时,合理利用材料的超疏水性以及超亲水性,可以用于解决在恶劣战场环境下的水源收集等危及人员生存的紧要问题。据悉,这种材料可以在高温、低湿的沙漠环境中,将水蒸气转变成液态水并吸附于表面,从而达到既可收集和储存饮用水源,又可散去体表热量的目的;在高湿度空气环境中,材料本身具有的良好疏水性,可以确保人员能在热带雨林等降雨量、蒸发量较大的炎热潮湿环境中安全遂行任务。此外,基于超双疏(超疏水和超疏油)布料研制而成的生化防护服,能够有效避免生化沾染渗入,保护士兵不受生命威胁。

——研制新型水上机器人

现今,依托超疏水技术研制出的新型水上机器人,因具有独特的漂浮机制和高效的划水方式,而能在水面环境中能够低耗、低噪、高效、灵活地漂浮、划行和跳跃。在并不遥远的未来,与之类似的超疏水微型侦察机器人,或将被应用于科研勘探、安防巡逻、情报侦察等各类领域,成为海上不可或缺的“千里眼”和“顺风耳”。

目前,随着超疏水材料技术在武器装备防护、能源及其他创新领域展现出日益广阔的应用前景,未来的超疏水材料技术将有可能与仿生技术、纳米技术等高新技术深度融合,逐步突破其机械性能与耐用性能的关键瓶颈,在军事领域发挥更大的应用价值。

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