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香港城市大学王钻开教授《Matter》:分子工程级别的抗静电新策略
2020-11-18  来源:高分子科技

  接触起电是生活中最为常见的物理现象之一。一方面,接触起电在能源收集、颗粒分离、化学合成等领域有着重要的作用,但另一方面,接触起电也可能造成一些令人不愉快的感受,甚至严重的灾难。比如在冬天,当我们用手接触金属门把时,可能会有电击感。这种电击感是由接触起电产生的静电荷持续积累引发的放电造成的。这种放电如果发生在充满粉尘的工厂或者有易燃气体的空间,则极易引发爆炸。因此,在这些应用场景下,使用抗静电材料或者表面,具有非常重要的作用。


  现有的抗静电策略主要包括两种,第一种是提高材料的静电荷扩散速率以避免过量的电荷积累,例如对材料掺杂高导电性填料、自由基清除分子或进行表面亲水修饰。这种策略在一定程度是有效的,但是并不能从根源上避免静电荷的产生。另外一种抗静电策略是避免电荷的产生,一般通过化学改性来实现,例如通过共聚两种具有相反摩擦带电极性能力的单体,得到的共聚物可以避免在摩擦中产生静电荷。然而,这种本体改性的共聚方法限制了材料的选择,不具有广泛适用性。考虑到接触起电是一种界面现象,因此仅通过表面的化学改性也可以实现抗静电。现有的抗静电表面主要是通过图案化的涂层改性,一般包含两种区域。在摩擦时,两种区域分别产生正电荷以及负电荷。通过控制这两种区域的大小及比例,可以获得总量相等的正负电荷,从而实现整体电荷为零的效果。由于这两种区域的化学成分和电荷极性不同,我们称这种表面为化学异相且静电异相的抗静电表面。然而,这种依赖于电荷中和的抗静电表面需求精确的区域控制,极大地增加了制备的成本及困难性。


  近日,香港城市大学机械工程系王钻开教授团队报道了一种可以完全避免电荷产生的抗静电策略。通过简单的表面工程方式 (例如浸涂),将具有强供电子和受电子功能的化学组分,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),键合在材料表面形成自主装单分子层 (图1)。尽管这两种分子分别具有强的产生正电荷及负电荷的能力,但是当他们混合起来形成的表面则不会同时产生正负电荷。这是因为一个电荷的面积是一个分子所占据表面的几千倍,所以产生一个电荷需要同时摩擦几千个分子占据的区域,他们称一个电荷所占据的区域为静电块 (electrostatic patch)。由于这两种分子在表面是均匀分布的,因此可以认为每个静电块的成分是相同的,所以在摩擦中,整个表面是静电同相的。这种静电同相的特性保证了整个样品的每一点的表面电势是相同的,所以可以通过调整两种组分的比例去调整涂层表面的表面电势。当涂层表面电势与其所摩擦的表面的表面电势相同时,接触起电可以被完全避免 (如图2)。


图1. 抗静电涂层的成分 (FOTS 和APTS),静电块 (electrostatic patch)示意图及抗静电与无修饰的表面的静电吸附力比较。


图2. 抗静电机理。不同于传统的依赖于正负电中和的抗静电表面,文中报道的抗静电涂层是通过改变两个组分(FOTS 和APTS)的比例调控表面电势,从而达到控制在接触起电中电子转移的目的。在接触起电中,FOTS容易得到电子而带负电,APTS容易失去电子而获得正电。但是当接触的两个表面的表面电势相同时,电子将不再发生转移,从而避免了静电荷的产生。正如不同比例下的电荷密度图所示,在合适的比例,电荷密度为0,即接触起电的完全避免。


  此外,传统的依赖正负电荷中和的静电异相抗静电涂层需要图案化区域,不仅增加了制备成本,也极大地限制了接触区域的选择。如图3所示,如果这种涂层被裁切到不同比例,或者只被摩擦表面的一部分,抗静电效果可能消失。相反地,文中报道的的静电同相表面即使被裁切至各种尺寸,也可以保持它的抗静电特性。此外,这种静电块形成抗静电涂层仅仅通过浸泡的方式就可以获得,消除了所需构筑表面形状的限制外,所使用的化学组分的特性使得涂层可以在更广泛的基底上制备,而且具有良好的可重写性和透明度。


图3. 传统的抗静电表面与文中报道的抗静电表面比较。传统的静电异相表面依赖于等量的正负电荷的中和,如果样品按照图中虚线被裁开则失效。文中报道的静电同相表面,无论被裁切到什么比例,表面电荷密度都不受影响。


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

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