荷叶超疏水仿生材料制备的实验探究

发布时间：2022-03-30所属分类：农业论文浏览：1次

摘 要： 摘要: 以荷叶超疏水仿生材料制备为例，选择硅橡胶和 UV 胶对荷叶表面纳米结构进行翻转倒模，制备一种荷叶仿生材料，经疏水角测量和除污性能测试，验证了该材料的超疏水作用。课题以期通过拓展型创新实验的实施，为 纳米材料主题教学及学生综合素养培养提供有益的参考与

　　摘要: 以“荷叶超疏水仿生材料制备”为例，选择硅橡胶和 UV 胶对荷叶表面纳米结构进行翻转倒模，制备一种荷叶仿生材料，经疏水角测量和除污性能测试，验证了该材料的超疏水作用。课题以期通过拓展型创新实验的实施，为 “纳米材料”主题教学及学生综合素养培养提供有益的参考与借鉴。

　　关键词: 纳米材料; 超疏水; 仿生材料制备; 实验探究

　　《普通高中化学课程标准( 2017 版) 》( 以下简称 “新课标”) 指出: 能从物质的微观层面理解物质组成、结构和性质的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念; 能根据物质的微观结构预测物质特定条件下可能具有的性质和发生的变化，并能解释其原因。同时强调，要引领学生能发现和提出有探究价值的化学问题，能依据探究目的设计并优化实验方案，完成实验操作，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论[1]。为此，我们选择“荷叶仿生纳米材料实验探究” 为主题，通过拓展型创新实验活动，重点落实化学学科中“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”两个维度的核心素养目标。

　　1 实验设计开发背景

　　新课标“化学与社会发展”主题，注重在教学过程中体现“化学科学在材料科学等方面的重要作用，让学生知道高分子材料等常见材料类型，并结合实例认识材料组成、性质与应用的联系”[2]。同时，在“教学策略”中建议教师“在教学实践中应加强物质组成、结构、性质等化学视角与真实情境素材之间的联系，引导学生有意识地提升解决实际问题的能力”; 在“情境素材” 中建议教师选择“无机非金属材料”“功能高分子材料” “保水材料”及“碳材料和纳米材料与应用”作为教学题材有机融入到高中化学教学过程中[3]。

　　因此，选择与社会生活密切相关的“纳米材料”为探究实验主题，不失为激发兴趣、引领探究、培养素养的好题材。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸( 0. 1～ 100 nm) 或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于 10～ 100 个原子紧密排列在一起的尺度。早在 20 世纪 90 年代，Barthlott 和 Neinhuis 通过揭示荷叶的微纳米结构，解释了荷叶表面的超疏水自清洁现象。固体表面是否具有超疏水性，主要取决于其表面的微观形态和表面能的大小。在荷叶表面均匀分布着平均直径为 5～ 9 μm 的微米级乳突，乳突上覆盖着直径 50～ 70 nm 的纳米级蜡质晶体，在这种微、纳米结构和低表面能的共同作用下，滴在荷叶表面的水珠极易滚落，水滴滚动时会带走表面的污染物或尘埃，从而实现自清洁效果，这便是“荷叶效应”[4]。本实验从深度理解荷叶效应及其超疏水结构的原理起步，到纳米材料制备的实验探究经历，再到纳米材料超疏水性能的测试与评估，通过层层递进的实验设计方案，引领学生在创新实践中，落实核心素养发展目标。

　　2 实验教学目标解析

　　2. 1 实践育人，落实“核心素养发展”目标

　　( 1) 通过“电镜显微”图像，寻求“宏观辨识与微观探析”突破。

　　为什么荷叶能“出淤泥而不染”呢? 在实验探究 中，教师可以先期引导学生借助电子显微镜呈现的荷叶表面结构图像，认识物质的组成、结构及其性质，形成“结构决定性质”的观念，从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。

　　( 2) 通过“创新实践”活动，引领“科学探究与创新意识”发展。

　　如何利用荷叶表面结构实现超疏水纳米材料制备? 教师可以通过仿生学原理，引导学生开展科学探究，参与科学创新实践活动，运用化学实验方法制备纳米新材料，锻炼学生勤于实践、善于合作、敢于质疑、勇于创新的内在品格。

　　2. 2 志趣引领，达成“课程标准内容”目标

　　新课标“化学与社会发展”中，强调“认识生活中的材料”的重要性，尤其多次提及要了解纳米材料的组成、性能及新材料的创造，探索其可能的应用领域和发展方向。本课题源于生活，有利于引领学生创新实践的志趣和目标。

　　2. 3 能力培养，实现“跨学科学习”的目标

　　跨学科素养注重跨学科知识的整合与迁移，强调多种学科能力的融合和贯通，是情感、态度、价值观等综合素养的具体体现[5]。纳米材料涉及结构化学、生物学、物理学等多种学科，学科交叉特点鲜明，整个探究过程有利于跨学科复合型知识的学习。

　　3 实验过程设计方案

　　3. 1 “荷叶超疏水仿生材料制备”探究思路

　　生物分子种类的多样性以及生物分子特殊的化学生物性能，给纳米材料制备领域提供了无限的可能性，显示了极其重要的潜在研究价值，值得我们进一步探究[6]。本课题先采用“翻转倒模技术”[7]直接对荷叶表面进行仿制，制作具有仿生结构的平面，模拟荷叶表面优越的疏水性能。将荷叶作为模具直接进行铸模倒模，可以最大限度地保留仿生纳米微结构，保证优越的疏水特性。

　　然后，定量测量新制备的仿生纳米材料的表面疏水角，并利用高浓度墨水和清水进行疏水性能和除污性能的验证，确保其疏水性能和除污性能优良。

　　3. 2 实验材料的选择

　　本课题选择硅橡 胶( PDMS，Polydimethylsiloxane，商品名: 道康宁 184 光学胶) 和 UV 胶( NOA，Norland Optical Adhesive，商品名: 诺兰德紫外光学固化胶) 作为翻转倒模过程的两个重要实验材料。

　　原因在于: ( 1) PDMS 是一种常见的橡胶材料，成本低、使用简单、无毒、不易燃。PDMS 未固化时为黏稠液体，当加入固化剂后，随着温度的升高而逐渐固化; ( 2) NOA 是一种光固化胶，暴露在光照下几秒钟，就可固化为坚硬的聚合体。

　　其他重要材料还包括: 紫外灯、培养皿、手机、放大镜头等。

　　3. 3 实验方案各步骤

　　( 1) 将新鲜荷叶割下平整的平面;

　　( 2) 将荷叶背面用双面胶粘在培养皿底部;

　　( 3) 倒入预混的硅橡胶溶液，并进行加热固化( 70℃，30 ～ 40 分钟) ;

　　( 4) 将固化后的硅橡胶揭下来;

　　( 5) 再将揭下后的硅橡胶盖到均匀涂布于培养皿的 NOA 涂层上，并进行光照固化( 紫外灯照射数十秒) ;

　　( 6) 将硅橡胶小心缓慢揭下，保留带有仿生结构的 NOA 涂层;

　　( 7) NOA 仿生纳米材料的表面疏水角测定; ( 8) NOA 仿生纳米材料疏水性能和除污性能测试。

　　4 实验结果分析

　　4. 1 关于疏水角的测定结果

　　疏水角，亦称接触角，是指液滴端口的切线与固体液体界面间夹角的角度[8]。此切线在液体的一方与固-液交界线之间的夹角 θ，是润湿程度的量度。一般情况下，若疏水角小于 90 度，则表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角度越小，表示润湿性越好( 如图 1C) ; 若接触角大于 90 度，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动( 如图 1A) 。其中，接触角大于 120 度说明表面具有良好的疏水性能; 接触角大于 150 度称为超疏水状态，表面具有超疏水性能。

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　　本实验采用手机、放大镜头、培养皿、台灯搭建疏 水角测量仪，利用相机对液滴的侧面形状进行测量，通过测量液滴轮廓切线与基底的角度，即接触角大小。过程中，对液滴的形态轮廓进行拍照获取图像，进而对液滴的疏水角进行对比测量。首先对仿生疏水平面和金属平面的接触角进行测量，发现荷叶倒模的平面疏水性能明显要好于金属，如图 2 所示。

　　4. 2 关于疏水和除污性能的测试和评估

　　选用红墨水和清水进行实验比对，测试仿生疏水表面的除污性能和疏水性能。红墨水采用未加稀释的水性墨水，因为墨水有非常复杂的组分，是生活中常见的物品，也极易造成污染，所以采用高浓度墨水模拟污物，可以代替一部分的污物类型。

　　如图 3 所示，墨水的实验结果显示仿生材料的部分残留的墨水要明显少于未覆盖仿生材料的残留部分，展示了良好的疏水性能和除污性能。

　　接下来，利用清水进行实验验证仿生材料的除污性能。利用清水滴加在实验平面上面，观察墨水的残留情况，如图 4 所示。

　　在清水的滚动滑下的带动下，红墨水在仿生材料的表面已没有残留，而未覆盖的部分则仍存在残留。通过仔细观察平面上墨水的残留情况，可以更加详细有力地说明实验结果: 仿生材料具有的良好的疏水角和滑动角带来了优越的疏水性能和除污性能。

　　5 教学实践体会

　　“纳米材料”是现代化学的重要研究领域之一，积极尝试与选择学生身边的情境素材作为教学实验开发对象，对学生兴趣激发、素养发展和能力培养有明显效果。本实验在教师的引导下，学生的自主参与和主动探究贯穿于课题全程，不仅培养了学生联系生活、研究探索的志趣，而且让学生的创新实践和科学思维能力得到了较充分的锻炼，使化学学科核心素养融入到学生内心深处。——论文作者：李法瑞

　　参考文献:

　　[1][2][3] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准( 2017 年版) [S]. 北京: 人民教育出版社，2018.

　　[4] 王婵铭，杨文芳，丰万齐. 仿生超疏水表面的研究及其在纺织领域的应用[J]. 纺织科技进展，2018，( 11) : 1～ 5.

　　[5] 闫白洋. 跨学科素养测评的国际经验: PISA 命题与启示[J]. 现代中小学教育，2019，35( 8) : 10～ 14.

　　[6] 满萌，张英锋，王亚兰，赵琳. 生物分子及其在纳米材料合成中的应用[J]. 化学教学，2014，( 8) : 93～ 96.

　　[7] 潘睿正. 基于聚乳酸纺丝薄膜和砂纸倒模明胶薄膜完全可降解的摩擦纳米发电机[D]. 杭州: 浙江大学硕士学位论文，2018.

　　[8] 张美玲. 天然纳米结构———荷叶[J]. 云南大学学报( 自然科学版) ，2005，( 5A) : 462～ 464，483.