@ 2015.04.20 , 08:39

俄州科学家研发出油水分离的新材料,还很便宜

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筛网留存住了油(标记为红色)与此同时使得水(标记为蓝色)随意通过。这种原理的核心在于网格表面纳米级别的拒油处理

在俄亥俄州哥伦布市的俄亥俄州立大学里,一块不锈钢栅网看起来算不上什么重要物件。然而,会引起未来环境清理的重大变革的源头可能正是这块不显山露水的东西。

实验中,研究者们把油水混合物倒在筛网表面,水很快就被过滤下来流入下方的烧杯里,而油就被收集留存在上方的织物一侧,只要稍加倾斜,油就会滚入另一个预备好的烧杯里。

筛网表面的处理涂料是俄亥俄州立大学正研究中的一种新纳米技术涂层。相关的研究(1/2)已经被发表在自然杂志通讯上。这种涂料的应用前景可以从清理油污一直说到探测地下石油储量。俄亥俄杰出人才奖得主Bharat Bhushan信心百倍的表示,只要有足够大的网,什么样的油也都收来给你看!

这项工作部分算是受了莲花叶子的启发。但是,众所周知自然状态下的莲花叶片抗水但不抗油。而Bhushan和博士后Philip Brown想要做出的是一种性质相反的材料,他们将纳米级别的硅粉散布在不锈钢表面从而创造出一个随机的磨砂表面,再在磨砂状的表面涂布上一层嵌有表面活性剂的聚合物(表面活性剂:肥皂,洗衣粉,洗发水这类产品中产生清洁效果的主要成分)

硅粉、表面活性剂、聚合物和不锈钢都是无毒且便宜的材料,大规模制造后,一平方英尺的这种筛网材料成本还不到一美元(一平米68块,和便宜的地砖一个价)

因为涂层只有大概几百纳米厚(数量级上大概是一张纸厚度的百分之一),涂层本身几乎检测不到,摸上去也感觉不到和没有涂层处理的筛网有什么区别,不过涂层处理的筛网看起来可能没有那么闪闪亮,因为涂层的透光率只有70%。研究人员选用二氧化硅部分是因为二氧化硅是魔力的成分,他们想要尝试一下这种技术在制造可用于玻璃的透明抗污图层上的潜力。目前能达到的70%的透光率在汽车后视镜之类的场合还算是够用,但对于多数的窗户或是像智能手机的表面处理,这种效果还是不太能让人满意。

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Bharat Bhushan(居中),研究助理Dave Maharaj(左一)和博士后Philip Brown(右一),在演示他们能分离油水的新技术。

Bhushan表示研究的最终目标是达到90%的透光率,在制造出来的这些图层中,不同组成物比例造成了不同的性质,关键就是选择正确的添加比例。在某些合适的比例下,涂层会显示出亲油而非斥油的性质,拥有这样性质的材料往大了说能用来探测地下石油储量,往小了说可以清洁撒了一地的油污。

表面纳米结构的形态也是影响最终效果的重要因素,在另一个实验中研究助理Dave Maharaj将表面的纳米硅替换成了二硫化钼纳米管,这种材料和油的混合效果就很好。Maharaj测定了换用材料后的表面摩擦系数,然后测试了这种材料在高压下的表现。纳米管结构天然的缺陷使得高压下的表面纳米管结构直接被撕裂,产生了一个相当光洁的表面,摩擦系数降得非常低(结构都破坏了真的不要紧吗……)

Bhushan预测钼合物能与油兼容的很好,加上钼合物本身可以做到很低的摩擦,说不定还能成为液体润滑剂的良好添加剂。而对微米、纳米级别的器件来说,普通商业用润滑油太粘稠,反而不利于他们高效运行,他估计在这种应用情景下钼纳米管倒是可以独立作为润滑剂减少摩擦。

这项工作在十多年前就开始了,那时候Bhushan开始模仿荷叶的纹理构建纳米结构图层,并取得了相关专利。从那时起,他领导着他的团队不断扩展这项技术可能的边界和为不同的应用目标改造着手头的材料,Bhushan野心勃勃的表示:“这么多年以来,我们研究了如此多的自然界已有表面结构,从叶片到蝴蝶翅膀到鲨鱼皮来学习自然界是如何解决问题的,现在我们要更进一步,超越自然,解决面临的新问题。”

“自然界已经做到她的极致了,但是为了解决合成物质带来的问题,我们需要把化学带入一个全新的层次,一个自然界从未达到的层次。”

本文译自 osu.edu,由译者 萝卜头 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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