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  水生植物槐葉萍的水下空氣層長期保持能力激發(fā)了研究人員開發(fā)人造微結(jié)構(gòu)的興趣。然而，槐葉萍微結(jié)構(gòu)精巧地結(jié)合了復(fù)雜的毫米級中空結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，使得人工復(fù)制這一結(jié)構(gòu)成為挑戰(zhàn)（圖1）。此外，在極低的負(fù)壓條件下，槐葉萍水下空氣層的保持和恢復(fù)機(jī)制仍不清楚。在此，通過將形狀記憶聚合物“頂部約束自分支（TCSB）”與親水性SiO₂微球捕獲相結(jié)合，制備了具有非均質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的毫米級四分支中空微結(jié)構(gòu)。通過施加負(fù)壓，研究揭示了親水頂點(diǎn)在空氣層恢復(fù)中的關(guān)鍵作用。通過表面能的計(jì)算，很好地解釋了這一關(guān)鍵作用背后機(jī)制。這項(xiàng)研究為制造仿槐葉萍結(jié)構(gòu)提供了廣闊的前景，并揭示了槐葉萍結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境中強(qiáng)大的空氣保持和恢復(fù)能力的背后機(jī)制。

圖1 槐葉萍獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)化學(xué)特性

圖2 仿槐葉萍自生長非均質(zhì)結(jié)構(gòu)方法

  研究人員將該仿生結(jié)構(gòu)置于水下，利用自主搭建的負(fù)壓、正壓測試系統(tǒng)研究了仿生結(jié)構(gòu)在極端條件下的空氣層保持和恢復(fù)性能。研究發(fā)現(xiàn)在負(fù)壓-恢復(fù)測試條件下，仿槐葉萍結(jié)構(gòu)（BMCSs）相比較單純疏水分叉結(jié)構(gòu)(SHBBs)和單純疏水微柱結(jié)構(gòu)（SHBPs）具有最強(qiáng)的空氣層保持和恢復(fù)能力（圖3D）。通過計(jì)算表面能，揭示了頂部親水點(diǎn)在空氣層恢復(fù)中的機(jī)制（圖3E）。在正壓-恢復(fù)測試條件下，仿槐葉萍結(jié)構(gòu)（BMCSs）同樣具有最強(qiáng)的空氣層保持和恢復(fù)能力（圖4），這是中空的分叉結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)協(xié)同作用結(jié)果。

圖3 水下負(fù)壓-恢復(fù)條件測試三種結(jié)構(gòu)空氣層保持和恢復(fù)性能。

圖4 水下正壓-恢復(fù)條件測試三種結(jié)構(gòu)空氣層保持和恢復(fù)性能。

  該工作以“Robust Underwater Air Layer Retention and Restoration on Salvinia-Inspired Self-Grown Heterogeneous Architectures”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后張亞超博士，通訊作者是中國科大胡衍雷教授和吳東教授，合作者包括中國科大王奉超教授和中科院理化所江雷院士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國博士后基金的支持。

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于飛秒激光與形狀記憶聚合物相互作用相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在此之前，團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光刻蝕熱收縮形狀記憶聚合物，發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)聚合物自生長效應(yīng)（Adv. Mater. 2018, 30, 1803072.），在此基礎(chǔ)上利用不同材料的收縮特性，實(shí)現(xiàn)了凹角微柱結(jié)構(gòu)的高效制備，并展示了在低表面能液體操控領(lǐng)域的應(yīng)用（Nano Lett. 2021, 21, 9301-9309.）。