仿贻贝自修复型超疏水材料及油水分离应用

Bioinspired interfacial material with self-healing properties is a hotspot of multidisciplinary studies, a key challenge is to explore novel self-healing principle and related structure. Mussel byssus is able to repair itself by forming reversible metallic-organic complexes via coordination between metallic ions and catechol ligands. Inspired by this finding, here we construct a self-healing superhydrophobic layer based on catecholic-containing polymers and Fe3O4 nanoparticles. By elaborately controlling the molecular and aggregation structures of polymer chains, nanogel regions will form within the superhydrophobic layer, where the self-healing process will take place through the ligand exchange between Fe3+ and catecholic functionality. Furthermore, thermal responsive poly(N-isopropy lacrylamide) will be introduced to the layer with an aim to switch its wettability from hydrophobicity to hydrophilicity. Based on these results, controllable separation of oils from water and recycling of the layer will be achieved. The present study might offer a new insight into the hierarchical structures and molecular mechanism for self-healing process, which provides an alternative principle for designing self-healing superhydrophobic surfaces. The study also explores the potential applications of bioinspired and intelligent polymer in the field of water-oil separation.

自修复型仿生界面材料是多学科研究的热点之一，其关键在于探索自修复的新原理及相关结构。贻贝粘附蛋白可通过儿茶酚基团与金属离子形成可逆的有机-金属络合物而具备良好的自修复能力。受此启发，本课题拟采用儿茶酚基团将Fe3O4纳米粒子、聚多巴胺、聚醚硅氧烷共聚物组装成具有自修复功能的仿生超疏水膜。通过分子设计和聚集态结构调控，在疏水性仿生膜中形成"纳米凝胶"区域，促进区域内儿茶酚基团与纳米粒子表面Fe3+发生配体交换，从而导致自修复过程的发生。在此基础上，进一步引入温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺链段，实现油/水混合物的可控分离和仿生膜的循环利用。本研究将从新的视角阐明自修复发生的多尺度结构特征及调控机制，有望为自修复型超疏水材料的设计提供另一种思路，同时也探索了仿生和环境刺激响应性高分子在油水分离领域的潜在应用。

超疏水表面的耐久性是该领域的重要课题和关键挑战之一，而引入自修复功能是解决该问题的有效方法。受贻贝黏附蛋白启发，本项目设计并制备出一种具有自修复功能的仿生超疏水表面。首先通过分子设计，在聚甲基硅氧烷和多糖（如壳聚糖和海藻酸钠）分子骨架上引入儿茶酚基团。进而在铁离子作用下，通过形成Fe3+/儿茶酚配位键将上述高分子与Fe3O4、TiO2等纳米材料组装成三维多孔复合材料。通过控制高分子组成、分子链聚集态结构和纳米材料的微观结构，获得具有自修复功能的超疏水表面，其接触角大于150度，滚动角小于5度。.当超疏水材料被物理破坏（如刮划、切断）后，可通过不同pH值溶液浸润破损处和70度热处理，实现材料的宏观形状、微观结构、力学性能和浸润性的自动恢复，该自修复过程可重复至少6次。研究发现材料的自修复机理在于儿茶酚-Fe动态配位键的pH依赖特性。经不同pH溶液处理后的超疏水膜中形成“纳米凝胶”区域，并诱导铁离子与儿茶酚发生三配位/二配位的配体交换反应，促进破损处的多尺度微观结构的重建，从而恢复超疏水特性。当材料被氧等离子体刻蚀后，其浸润性变为亲水性，但可通过加热恢复超疏水特性，该亲水/疏水智能转换可循环6次以上。利用该可逆转换功能可实现油/水混合物的可控分离和材料的循环利用。在此基础上，研究发现儿茶酚-Fe动态配位键具有温度依赖性，可通过电热方式实现破损材料的宏微观结构、力学性和超疏水特性的快速恢复。.本项目从仿生视角阐明自修复发生的多尺度结构特征及调控机制，研究结果有望为自修复型超疏水材料的设计提供另一种思路，同时也探索了仿生智能高分子材料在油/水分离领域的应用前景。本项目资助的研究工作已在国际刊物发表学术论文17篇。