在戶外低溫環(huán)境下,海洋船舶、飛機(jī)、輸電線纜、管路等設(shè)施表面易發(fā)生覆冰現(xiàn)象,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。近年來(lái),防冰涂料作為一種新興的被動(dòng)防冰策略,依靠低成本、高效率的抑制表面結(jié)冰和促進(jìn)表面脫冰能力,受到廣泛關(guān)注。
抗凍蛋白(AFPs)作為一種天然抗凍材料為防冰材料的設(shè)計(jì)提供了靈感,通過(guò)其特有的冰結(jié)合位點(diǎn)(IBS)和非冰結(jié)合位點(diǎn)(NIBS)實(shí)現(xiàn)高效抗凍防冰。據(jù)報(bào)道,氧化石墨烯納米片被證明可以與冰晶發(fā)生晶格匹配,模擬AFPs的IBS結(jié)構(gòu)進(jìn)而吸附在冰晶表面抑制冰晶生長(zhǎng)。然而,對(duì)于AFPs的NIBS上電荷結(jié)構(gòu)對(duì)抗冰性能的研究方面卻鮮有探究。
圖1抗凍蛋白啟發(fā)的不同電荷改性氧化石墨烯及微結(jié)構(gòu)光熱防冰涂料設(shè)計(jì)思路
該工作分別合成了三種不同帶電性改性的氧化石墨烯納米片層,分別是氨基改性呈正電性的GO-NH2、羧基改性呈負(fù)電性的GO-GOOH以及兩性離子基團(tuán)SB改性呈電中性的GO-SB分子,研究帶不同電荷對(duì)石墨烯片層防冰性能的影響。進(jìn)一步通過(guò)乳液模板法將改性石墨烯加入到有機(jī)硅樹(shù)脂PDMS中制備微結(jié)構(gòu)的節(jié)能防冰涂層,用于高效防冰/除冰。
圖2 不同電荷小分子的防冰性能
圖3 不同電荷改性氧化石墨烯防冰性能
圖4 不同電荷改性氧化石墨烯涂料防冰、除冰性能
圖5 不同電荷改性氧化石墨烯涂料光熱性能與極端環(huán)境適用性
通訊作者簡(jiǎn)介
楊靜,天津大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者、某領(lǐng)域國(guó)家級(jí)青年人才。主持國(guó)家級(jí)重點(diǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)榉缕つw材料、柔性傳感器、傳感系統(tǒng)、合成生物學(xué)等。已在Nature Communications, J Am Chem Soc,ACS Nano, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物發(fā)表第一/通訊作者SCI論文40余篇。
論文信息:
Antifreeze Protein-Inspired Zwitterionic Graphene Oxide Nanosheets for a Photothermal Anti-icing Coating
Junyu Yu#, Shu Tian#, Guangming Lu, Sijia Xu, Kai Yang, Lei Ye, Qingsi Li, Lei Zhang, Jing Yang*, Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04478
全文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04478
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