聚合物被广泛应用于化学工业、建筑、包装、制药、农业等领域。有些聚合通常为固态的，而有些常常为液态的。液体聚合物的广泛使用也导致了各种各样的水污染问题。当聚合物液体泄漏或被排放进水里，不但造成了极大的资源浪费，还引起了环境污染问题。液体聚合物通常具有高粘度、低流动性、高粘附性等特点，使其很容易粘附在水下管道等设备上。这类污染物通常难以被微生物分解，会严重威胁生态系统， 甚至给人类带来各种疾病（例如癌症）。废弃液体聚合物污染问题可以通过分离液态聚合物和水的混合液来得以解决。然而，液体聚合物很容易粘附在普通使用的分离材料上，并且很难从水里隔离出来。
近日，西安交通大学陈烽教授领导的 飞秒激光仿生微纳制造团队 基于飞秒激光微加工技术在不锈钢网表面诱导出分级纳米结构。表面微结构的形成致使不锈钢网在空气中呈现超亲水性。在水下，液体聚合物在结构化不锈钢网上的接触角达到156.4°，滚动角为2.5°，接触角滞后为2.7°。飞秒激光处理后的不锈钢网在水下对对各种聚合物液滴都展现出极强的排斥性。这种性质被定义为水下超疏聚合物性（Underwater Superpolymphobicity）。扫描电子显微镜结果显示：水下聚合物液滴在激光处理的不锈钢网上能够保持球状，只接触不锈钢网微结构的顶部。
图：飞秒激光在不锈钢网表面上诱导的纳米结构。
图：液态聚合物在不锈钢网表面上的润湿性。
图：液态聚合物在不锈钢网表面上的接触状态。
基于激光结构化的不锈钢网所具有的超亲水性和水下超疏聚合物性，水和不同种类液体聚合物的混合液被成功分离。所制备金属网允许水通过。相反，超疏聚合物性使得该网具有拦截聚合物的功能。通过去除和过滤两种不同的方式，利用所制备水下超疏聚合物网可以将液体聚合物从水中成功分离出来。该水/聚合物分离方法可潜在应用于缓解聚合物导致的污染问题、回收废弃聚合物资源、以及与聚合物有关的生产制造等领域。
图：通过去除和过滤两种方式分离水中的聚合物液体。
图：分离水和不同种类液体聚合物的混合液。
相关研究成果分别以“Filtration and Removal of Liquid Polymers from Water (Polymer/Water Separation) by Use of the Underwater Superpolymphobic Mesh Produced with a Femtosecond Laser”为题发表于Journal of Colloid and Interface Science期刊上（J. Colloid Interf. Sci., 2020, 582, 1203-1212.）。西安交通大学电子科学与工程学院 雍佳乐 副教授为该论文第一作者， 陈烽 教授为通讯作者。
水下超疏聚合物表面对液体聚合物具有强烈的排斥作用，因而聚合物很难粘附到这样的表面上。水下超疏聚合物微纳结构可以被用来抑制液体聚合物与固体材料间的粘附，也可用来对液体聚合物进行操作而无聚合物附着问题。与水和油不同，有些液体聚合物可以从液态转变为固体。因而，相对于水和油的特殊浸润性表面，水下超疏聚合物性有着一些新的独特应用领域。
在前期的研究工作中，作者证明可以用水下超疏聚合物性来设计聚合物的形状。例如，可将PDMS液体的表面弯曲成弯月面阵列，从而获得微透镜阵列结构。利用飞秒激光在多孔不锈钢板上形成水下超疏聚合物微结构。在水下，当将PDMS液体倾倒在该多孔结构上时，由于压力和表面张力的作用，在每个微孔处会形成一个凸的弯月面。高温下将PDMS固化后，表面上的曲面结构被永久固定下来。固化的弯月面具有很好的曲面轮廓，可以被用作微透镜阵列，并且具有优异的成像能力。（ ACS Appl. Nano Mater. , 2019 , 2 , 7362-7371. ）
图：基于水下超疏聚合物微结构将聚合物表面转变为曲面轮廓。
也可以用水下超疏聚合物性来设计固体表面对聚合物的粘附性。在前期工作中，作者提出了一种基于选择性抑制聚合物粘附从而在玻璃表面与PDMS之间制备微通道的方法。飞秒激光在玻璃基底上直写的微沟槽结构具有水下超疏聚合物的性质，因此在水下PDMS液体不能够粘附在此区域上。然而PDMS可以紧紧粘附在其余未处理平滑玻璃表面上。当PDMS固化后，在玻璃基底与PDMS之间形成了中空的微通道。微通道是微流控系统的核心组成。由于激光可以直写任意形状的沟槽，因而该方法可以制备各种复杂的微流控通道。（ ACS Appl. Polym. Mater. , 2019 , 1 , 2819-2825. ）
图：通过选择性抑制玻璃基底与PDMS液体间的粘附性制备微通道结构。
参考文献：
[1] J. L. Yong, C. Zhang, X. Bai, J. Zhang, Q. Yang*, X. Hou, F. Chen*, Filtration and Removal of Liquid Polymers from Water (Polymer/Water Separation) by Use of the Underwater Superpolymphobic Mesh Produced with a Femtosecond Laser. J. Colloid Interf. Sci., 2020, 582, 1203-1212.
[2] J. L. Yong, S. C. Singh, Z. Zhan, E. Mohamed, F. Chen*, C. Guo*, Femtosecond Laser-Produced Underwater “ Superpolymphobic ” Nanorippled Surfaces: Repelling Liquid Polymers in Water for Application of Controlling Polymer Shape and Adhesion . ACS Appl. Nano Mater., 2019, 2, 7362-7371.
[3] J. L. Yong, Z. Zhan, S. C. Singh, F. Chen*, C. Guo*, Microfludic Channels Fabrication Based on Underwater Superpolymphobic Microgrooves Produced by Femtosecond Laser Direct Writing. ACS Appl. Polym. Mater., 2019, 1, 2819-2825.
[4] J. L. Yong, Z. Zhan, S. C. Singh, F. Chen*, C. Guo*, Femtosecond Laser-Structured Underwater “ Superpolymphobic ” Surfaces . Langmuir, 2019, 35, 9318-9322.
来源：高分子科学前沿
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