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    香港城市大學王鉆開教授《Matter》:分子工程級別的抗靜電新策略
    2020-11-18  來源:高分子科技

      接觸起電是生活中最為常見的物理現象之一。一方面,接觸起電在能源收集、顆粒分離、化學合成等領域有著重要的作用,但另一方面,接觸起電也可能造成一些令人不愉快的感受,甚至嚴重的災難。比如在冬天,當我們用手接觸金屬門把時,可能會有電擊感。這種電擊感是由接觸起電產生的靜電荷持續積累引發的放電造成的。這種放電如果發生在充滿粉塵的工廠或者有易燃氣體的空間,則極易引發爆炸。因此,在這些應用場景下,使用抗靜電材料或者表面,具有非常重要的作用。


      現有的抗靜電策略主要包括兩種,第一種是提高材料的靜電荷擴散速率以避免過量的電荷積累,例如對材料摻雜高導電性填料、自由基清除分子或進行表面親水修飾。這種策略在一定程度是有效的,但是并不能從根源上避免靜電荷的產生。另外一種抗靜電策略是避免電荷的產生,一般通過化學改性來實現,例如通過共聚兩種具有相反摩擦帶電極性能力的單體,得到的共聚物可以避免在摩擦中產生靜電荷。然而,這種本體改性的共聚方法限制了材料的選擇,不具有廣泛適用性。考慮到接觸起電是一種界面現象,因此僅通過表面的化學改性也可以實現抗靜電。現有的抗靜電表面主要是通過圖案化的涂層改性,一般包含兩種區域。在摩擦時,兩種區域分別產生正電荷以及負電荷。通過控制這兩種區域的大小及比例,可以獲得總量相等的正負電荷,從而實現整體電荷為零的效果。由于這兩種區域的化學成分和電荷極性不同,我們稱這種表面為化學異相且靜電異相的抗靜電表面。然而,這種依賴于電荷中和的抗靜電表面需求精確的區域控制,極大地增加了制備的成本及困難性。


      近日,香港城市大學機械工程系王鉆開教授團隊報道了一種可以完全避免電荷產生的抗靜電策略。通過簡單的表面工程方式 (例如浸涂),將具有強供電子和受電子功能的化學組分,即N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS) 和1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷 (FOTS),鍵合在材料表面形成自主裝單分子層 (圖1)。盡管這兩種分子分別具有強的產生正電荷及負電荷的能力,但是當他們混合起來形成的表面則不會同時產生正負電荷。這是因為一個電荷的面積是一個分子所占據表面的幾千倍,所以產生一個電荷需要同時摩擦幾千個分子占據的區域,他們稱一個電荷所占據的區域為靜電塊 (electrostatic patch)。由于這兩種分子在表面是均勻分布的,因此可以認為每個靜電塊的成分是相同的,所以在摩擦中,整個表面是靜電同相的。這種靜電同相的特性保證了整個樣品的每一點的表面電勢是相同的,所以可以通過調整兩種組分的比例去調整涂層表面的表面電勢。當涂層表面電勢與其所摩擦的表面的表面電勢相同時,接觸起電可以被完全避免 (如圖2)。


    圖1. 抗靜電涂層的成分 (FOTS 和APTS),靜電塊 (electrostatic patch)示意圖及抗靜電與無修飾的表面的靜電吸附力比較。


    圖2. 抗靜電機理。不同于傳統的依賴于正負電中和的抗靜電表面,文中報道的抗靜電涂層是通過改變兩個組分(FOTS 和APTS)的比例調控表面電勢,從而達到控制在接觸起電中電子轉移的目的。在接觸起電中,FOTS容易得到電子而帶負電,APTS容易失去電子而獲得正電。但是當接觸的兩個表面的表面電勢相同時,電子將不再發生轉移,從而避免了靜電荷的產生。正如不同比例下的電荷密度圖所示,在合適的比例,電荷密度為0,即接觸起電的完全避免。


      此外,傳統的依賴正負電荷中和的靜電異相抗靜電涂層需要圖案化區域,不僅增加了制備成本,也極大地限制了接觸區域的選擇。如圖3所示,如果這種涂層被裁切到不同比例,或者只被摩擦表面的一部分,抗靜電效果可能消失。相反地,文中報道的的靜電同相表面即使被裁切至各種尺寸,也可以保持它的抗靜電特性。此外,這種靜電塊形成抗靜電涂層僅僅通過浸泡的方式就可以獲得,消除了所需構筑表面形狀的限制外,所使用的化學組分的特性使得涂層可以在更廣泛的基底上制備,而且具有良好的可重寫性和透明度。


    圖3. 傳統的抗靜電表面與文中報道的抗靜電表面比較。傳統的靜電異相表面依賴于等量的正負電荷的中和,如果樣品按照圖中虛線被裁開則失效。文中報道的靜電同相表面,無論被裁切到什么比例,表面電荷密度都不受影響。


      原文鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30573-7

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