12月24日，Nature子刊Communications Materials发表赵玉刚副教授“Nanosized caltrops enable selective capture and directional maneuvering of water droplets”的研究论文。Communications Materials在JCR分区中位于Q1区。该研究论文报道了一种全新的二级纳米氧化铜结构：纳米蒺藜。该成果由上海理工大学能动学院张华教授、上海交通大学郑平院士和新加坡南洋理工大学杨纯教授共同指导完成，赵玉刚副教授为通讯作者，硕士研究生蔡灏亭为该论文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金(52276079)、中央引导上海市地方科技发展基金(YDZX20213100003022)、上海市动力工程多相流与传热重点实验室项目( 23DZ2229030)的资助。
纳米结构通常是指尺寸在100 nm以下的微小结构，可以构筑或组装表征多功能的纳米尺度的物质单元。本文采用两步法，结合等离子技术和化学氧化法，成功制备出一种受限生长的纳米蒺藜结构，展现出独特性质，可应用于多种工程领域。在亲水状态下，可应用于涂层技术、喷墨打印和薄膜制造；在疏水状态下可实现液滴的选择性捕捉和无损耗、无污染转移。该结构衍生出的复合表面具有可调节性和灵活性，可低成本加工复杂多样的图案化表面，有助于化学微反应器、生物检测、药物输送和微流控系统等技术的发展。论文中的纳米蒺藜是目前所有文献报道中尺寸最小的二级拓扑结构，有助于实现亚微米尺度的液滴调控技术。
本文的研究创新性在于：1）揭示纳米蒺藜氧化铜的生长机制。2）使用荧光显微技术，揭示了该结构在亲水状态下抑制半芯吸现象的特性，实现了更均匀的液膜铺展。3) 通过化学气相沉积法进行了该结构的疏水性处理，发现液滴存在两种浸润模式，称为表面浸润和完全浸润模式，随着撞击高度的变化会出现浸润模式的转变，表面浸润模式介于超疏水表面和普通光滑表面之间，可实现液滴的无损耗和无污染转移。4）使用掩模法可轻松制备双纳米级的复合超疏水表面，在重力作用下实现液滴定向输运。
现有的微纳级工程表面通常需要昂贵和精密的设备进行加工，近年来所报道的功能表面也朝着复杂化的理念进行设计，其经济性和鲁棒性对大批量投入生产是一种挑战，目前多数表面仅能展现单一的用途，限制了其应用领域。发明的新结构不同于传统的超亲水-超疏水表面，产生的条纹复合表面具有离散化液滴的性质，同时，巧妙利用等离子束的散射特性，可以使用单一模板来制备出多种图案，降低了制备成本，极大拓展了等离子技术在表面加工技术中的应用。
图1 氧化铜纳米蒺藜结构制备流程、生长机制及表征
图2 亲水和疏水状态下的液滴动力学
图3 纳米蒺藜结构示意图和两种浸润模式
图4 复合表面的多种应用
论文链接： https://doi.org/10.1038/s43246-024-00726-7
[作者介绍]
赵玉刚，上海市青年东方学者，能源与动力工程学院副教授，博士生导师。2003~2007年就读于西安交通大学，获材料物理本科学位。2007~2010年就读于中国工程物理研究院，获工程力学硕士学位。2010~2018在新加坡南洋理工大学，获热流工程博士学位并从事博士后研究工作。2018年入职上海理工大学能源与动力工程学院，主要从事结冰结霜和界面科学领域的研究工作，已在Cell Reports Physical Science , Applied Physics Letters，International Journal of Heat and Mass Transfer等国际知名学术期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金面上一项、上海市科/教委项目一项、空间站建设/JG项目等若干，参与了国家重点研发计划一项。受邀在国内国际会议上做邀请报告10余次，中国发明专利20余项。任职Frontier in heat and mass transfer （SCI）副主编，Advances in aerodynamics （SCI）青年编委，空气动力学报 （EI）青年编委，实验流体力学（北核）青年编委，结冰与防除冰学会青年委员等。
联系方式：ygzhao@usst.edu.cn
