北卡罗来纳州立大学研发出超可拉伸拒液材料

北卡罗来纳州立大学的工程师们利用机器学习引导的无化学激光烧蚀工艺,开发出一种超可拉伸材料,能够排斥几乎任何液体,从水到强酸和溶剂。根据2月16日发表在《Matter》期刊上的研究,该材料即使被拉伸至原长度的五倍,并经过超过5000次拉伸循环后,仍能保持其拒液特性。

这一进展解决了材料科学中的一个长期难题:用于使表面排斥液体的传统喷涂涂层在拉伸超过原长度两倍时往往会剥落,这限制了它们在需要柔韧性的应用中的使用。

工作原理

该技术使用二氧化碳激光烧蚀在经氟碳硅烷改性的硅氧烷弹性体表面创建微观柱状结构,称为微突起。这些直径在10到100微米之间的柱状结构形成了一个抗液体的纹理表面,并且在底层材料被拉伸时保持不受影响。

"打个粗略的比方,把我伸展的手臂想象成材料,把我的头发想象成微突起,"北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授、该研究的通讯作者Arun Kumar Kota说。"如果你拉我的手臂,我的头发不会感受到压力,保持不受影响。"

为了避免冗长的试错测试,研究人员采用机器学习来确定最佳激光设置,包括功率、速度和脉冲频率,以实现最大的液体排斥性。

这种所谓的超全疏材料可以排斥几乎所有液体,包括腐蚀性酸、碱和有机溶剂,使其适合用于软体机器人、人工皮肤贴片、纺织敷料以及设计用于在化学苛刻环境中运行的可拉伸电子设备。

"我们创建了一个平台,可以在不使用化学溶剂、也无需进行数十万次试错实验的情况下制造可拉伸超全疏材料,"Kota说。"这种方法是一种更环保、更具成本效益的方式,可以为各种各样的应用生产材料。"

这项研究由第一作者Mohammad Javad Zarei(北卡罗来纳州立大学前博士生)领导,并得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和国会指导医学研究计划的支持。