英国物理学会《Physics World》杂志报道方海平教授等用微量离子控制 “咖啡环”效应的工作
作者:   发布时间:2020-04-21   访问次数:143

世界领先的物理学杂志Physics World》以“A salty solution for the coffee-ring effect”为题,专题报道方海平教授用微量离子控制富含芳香环材料表面的“咖啡环”效应的工作https://physicsworld.com/a/a-salty-solution-for-the-coffee-ring-effect/

一滴咖啡蒸发后,会在液滴的边缘形成一个比中间区域颜色深得多的暗环,这种不均匀沉积现象就是咖啡环效应。自从1997Robert D. Deegan在《Nature》杂志发文阐述它的形成机理以来,咖啡环效应已受到国际社会广泛关注。它广泛存在于我们的日常生活和工农业生产中。例如,咖啡环效应会妨碍布料的均匀染色;影响工业印刷、喷墨打印、光子元件组装以及DNA(脱氧核糖核酸)芯片制造的质量和功能等等。如果能人为控制咖啡环效应,将具有非常重要的科学意义和巨大的应用价值。

华东理工大学和中科院上海高等研究院方海平教授研究组与上海大学、中科院上海应用物理研究所的研究人员合作,仅仅通过向液滴中添加微量的盐,就可以将悬浮颗粒/分子均匀地吸附在石墨烯、碳纳米管或其它富含芳香环的材料表面,包括芳香族聚酰胺(芳纶,如Nomex®Kevlar®)、芳香族聚酰亚胺(如Kapton®)、芳香族聚酯(如,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、芳香族聚氨酯、芳香族聚碳酸酯、芳香族环氧树脂等,从而简单高效地实现了对咖啡环效应的精确控制(图1),同时还显著增强了沉积层与基底的结合力。

这一发现的关键是方海平教授团队十多年发展的新理论:溶液中水合离子与具有大量芳香环的表面(例如石墨,石墨烯、碳纳米管等)之间存在强水合离子作用。在这个理论指导下,他们已经取得了包括离子精确装订石墨烯膜用于离子筛分系列工作[Nat. Chem.2018, 10, 776; Nature 2017, 550, 380; Phys. Rev. Lett. 2016, 117, 238102; Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 164502; Sci. Rep. 2013, 3, 3436; Sci. Rep. 2014, 4, 6793]由于水合阳离子与表面芳香环结构之间的水合阳离子π作用,悬浮颗粒/分子被阳离子间接吸附到石墨烯基底上,不受溶液中水蒸发导致的液体流动的影响,从而实现了均匀沉积。

该成果为规模化制备均匀沉积的高质量功能化图案提供了一个全新的方法,必将有力推动石墨烯、碳纳米管和其它富含芳香环的材料(芳香族橡胶/塑料薄膜、涂层、织物、纤维等)表面上制备功能图案的广泛应用,例如包装、高温燃料电池、薄膜太阳能电池、显示器、纺织品、电子产品和军事应用等,亦可用于微量溶液中微纳米颗粒的便捷分离与检测。文章发表在CPL Express37卷第2期,我国的《物理》杂志也报道了这个工作。

该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、上海自然科学基金委以及中国科学院北京超算中心,广州超算中心和上海超算中心的资助和支持。

 


1阳离子控制染料在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的沉积图案。分别用0 mM(左)和16 mM(右)氯化钠控制酸性红(上)和酸性蓝(下)染料分子的沉积

 

 

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