荷葉超疏水仿生材料制備的實(shí)驗(yàn)探究

李法瑞

摘要：以“荷葉超疏水仿生材料制備”為例，選擇硅橡膠和UV膠對荷葉表面納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)倒模，制備一種荷葉仿生材料，經(jīng)疏水角測量和除污性能測試，驗(yàn)證了該材料的超疏水作用。課題以期通過拓展型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，為“納米材料”主題教學(xué)及學(xué)生綜合素養(yǎng)培養(yǎng)提供有益的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：納米材料;超疏水;仿生材料制備;實(shí)驗(yàn)探究

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出：能從物質(zhì)的微觀層面理解物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聯(lián)系，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定應(yīng)用”的觀念;能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測物質(zhì)特定條件下可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化，并能解釋其原因。同時(shí)強(qiáng)調(diào)，要引領(lǐng)學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)操作，能對觀察記錄的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論[1]。為此，我們選擇“荷葉仿生納米材料實(shí)驗(yàn)探究”為主題，通過拓展型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動，重點(diǎn)落實(shí)化學(xué)學(xué)科中“宏觀辨識與微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”兩個維度的核心素養(yǎng)目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)背景

新課標(biāo)“化學(xué)與社會發(fā)展”主題，注重在教學(xué)過程中體現(xiàn)“化學(xué)科學(xué)在材料科學(xué)等方面的重要作用，讓學(xué)生知道高分子材料等常見材料類型，并結(jié)合實(shí)例認(rèn)識材料組成、性質(zhì)與應(yīng)用的聯(lián)系”[2]。同時(shí)，在“教學(xué)策略”中建議教師“在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)加強(qiáng)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等化學(xué)視角與真實(shí)情境素材之間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生有意識地提升解決實(shí)際問題的能力”;在“情境素材”中建議教師選擇“無機(jī)非金屬材料”“功能高分子材料”“保水材料”及“碳材料和納米材料與應(yīng)用”作為教學(xué)題材有機(jī)融入到高中化學(xué)教學(xué)過程中[3]。

因此，選擇與社會生活密切相關(guān)的“納米材料”為探究實(shí)驗(yàn)主題，不失為激發(fā)興趣、引領(lǐng)探究、培養(yǎng)素養(yǎng)的好題材。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸（0.1～100 nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。早在20世紀(jì)90年代，Barthlott和Neinhuis通過揭示荷葉的微納米結(jié)構(gòu)，解釋了荷葉表面的超疏水自清潔現(xiàn)象。固體表面是否具有超疏水性，主要取決于其表面的微觀形態(tài)和表面能的大小。在荷葉表面均勻分布著平均直徑為5～9μm的微米級乳突，乳突上覆蓋著直徑50～70nm的納米級蠟質(zhì)晶體，在這種微、納米結(jié)構(gòu)和低表面能的共同作用下，滴在荷葉表面的水珠極易滾落，水滴滾動時(shí)會帶走表面的污染物或塵埃，從而實(shí)現(xiàn)自清潔效果，這便是“荷葉效應(yīng)”[4]。本實(shí)驗(yàn)從深度理解荷葉效應(yīng)及其超疏水結(jié)構(gòu)的原理起步，到納米材料制備的實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)歷，再到納米材料超疏水性能的測試與評估，通過層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，引領(lǐng)學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐中，落實(shí)核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)解析

2.1 實(shí)踐育人，落實(shí)“核心素養(yǎng)發(fā)展”目標(biāo)

（1） 通過“電鏡顯微”圖像，尋求“宏觀辨識與微觀探析”突破。

為什么荷葉能“出淤泥而不染”呢？在實(shí)驗(yàn)探究中，教師可以先期引導(dǎo)學(xué)生借助電子顯微鏡呈現(xiàn)的荷葉表面結(jié)構(gòu)圖像，認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題。

（2） 通過“創(chuàng)新實(shí)踐”活動，引領(lǐng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”發(fā)展。

如何利用荷葉表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超疏水納米材料制備？教師可以通過仿生學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究，參與科學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐活動，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法制備納米新材料，鍛煉學(xué)生勤于實(shí)踐、善于合作、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的內(nèi)在品格。

2.2 志趣引領(lǐng)，達(dá)成“課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容”目標(biāo)

新課標(biāo)“化學(xué)與社會發(fā)展”中，強(qiáng)調(diào)“認(rèn)識生活中的材料”的重要性，尤其多次提及要了解納米材料的組成、性能及新材料的創(chuàng)造，探索其可能的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向。本課題源于生活，有利于引領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的志趣和目標(biāo)。

2.3 能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”的目標(biāo)

跨學(xué)科素養(yǎng)注重跨學(xué)科知識的整合與遷移，強(qiáng)調(diào)多種學(xué)科能力的融合和貫通，是情感、態(tài)度、價(jià)值觀等綜合素養(yǎng)的具體體現(xiàn)[5]。納米材料涉及結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等多種學(xué)科，學(xué)科交叉特點(diǎn)鮮明，整個探究過程有利于跨學(xué)科復(fù)合型知識的學(xué)習(xí)。

3 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)方案

3.1 “荷葉超疏水仿生材料制備”探究思路

生物分子種類的多樣性以及生物分子特殊的化學(xué)生物性能，給納米材料制備領(lǐng)域提供了無限的可能性，顯示了極其重要的潛在研究價(jià)值，值得我們進(jìn)一步探究[6]。本課題先采用“翻轉(zhuǎn)倒模技術(shù)”[7]直接對荷葉表面進(jìn)行仿制，制作具有仿生結(jié)構(gòu)的平面，模擬荷葉表面優(yōu)越的疏水性能。將荷葉作為模具直接進(jìn)行鑄模倒模，可以最大限度地保留仿生納米微結(jié)構(gòu)，保證優(yōu)越的疏水特性。

然后，定量測量新制備的仿生納米材料的表面疏水角，并利用高濃度墨水和清水進(jìn)行疏水性能和除污性能的驗(yàn)證，確保其疏水性能和除污性能優(yōu)良。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

本課題選擇硅橡膠（PDMS，Polydimethylsiloxane，商品名：道康寧184光學(xué)膠）和UV膠（NOA，Norland Optical Adhesive，商品名：諾蘭德紫外光學(xué)固化膠）作為翻轉(zhuǎn)倒模過程的兩個重要實(shí)驗(yàn)材料。

原因在于：（1）PDMS是一種常見的橡膠材料，成本低、使用簡單、無毒、不易燃。PDMS未固化時(shí)為黏稠液體，當(dāng)加入固化劑后，隨著溫度的升高而逐漸固化;（2）NOA是一種光固化膠，暴露在光照下幾秒鐘，就可固化為堅(jiān)硬的聚合體。

其他重要材料還包括：紫外燈、培養(yǎng)皿、手機(jī)、放大鏡頭等。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案各步驟

（1）將新鮮荷葉割下平整的平面;（2）將荷葉背面用雙面膠粘在培養(yǎng)皿底部;（3）倒入預(yù)混的硅橡膠溶液，并進(jìn)行加熱固化（70℃，30～40分鐘）;（4）將固化后的硅橡膠揭下來;（5）再將揭下后的硅橡膠蓋到均勻涂布于培養(yǎng)皿的NOA涂層上，并進(jìn)行光照固化（紫外燈照射數(shù)十秒）;（6）將硅橡膠小心緩慢揭下，保留帶有仿生結(jié)構(gòu)的NOA涂層;（7）NOA仿生納米材料的表面疏水角測定;（8）NOA仿生納米材料疏水性能和除污性能測試。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 關(guān)于疏水角的測定結(jié)果

疏水角，亦稱接觸角，是指液滴端口的切線與固體液體界面間夾角的角度[8]。此切線在液體的一方與固-液交界線之間的夾角θ，是潤濕程度的量度。一般情況下，若疏水角小于90度，則表面是親水性的，即液體較易潤濕固體，其角度越小，表示潤濕性越好（如圖1C）;若接觸角大于90度，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤濕固體，容易在表面上移動（如圖1A）。其中，接觸角大于120度說明表面具有良好的疏水性能;接觸角大于150度稱為超疏水狀態(tài)，表面具有超疏水性能。

本實(shí)驗(yàn)采用手機(jī)、放大鏡頭、培養(yǎng)皿、臺燈搭建疏水角測量儀，利用相機(jī)對液滴的側(cè)面形狀進(jìn)行測量，通過測量液滴輪廓切線與基底的角度，即接觸角大小。過程中，對液滴的形態(tài)輪廓進(jìn)行拍照獲取圖像，進(jìn)而對液滴的疏水角進(jìn)行對比測量。首先對仿生疏水平面和金屬平面的接觸角進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)荷葉倒模的平面疏水性能明顯要好于金屬，如圖2所示。

4.2 關(guān)于疏水和除污性能的測試和評估

選用紅墨水和清水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對，測試仿生疏水表面的除污性能和疏水性能。紅墨水采用未加稀釋的水性墨水，因?yàn)槟蟹浅?fù)雜的組分，是生活中常見的物品，也極易造成污染，所以采用高濃度墨水模擬污物，可以代替一部分的污物類型。

如圖3所示，墨水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示仿生材料的部分殘留的墨水要明顯少于未覆蓋仿生材料的殘留部分，展示了良好的疏水性能和除污性能。接下來，利用清水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿生材料的除污性能。利用清水滴加在實(shí)驗(yàn)平面上面，觀察墨水的殘留情況，如圖4所示。

在清水的滾動滑下的帶動下，紅墨水在仿生材料的表面已沒有殘留，而未覆蓋的部分則仍存在殘留。通過仔細(xì)觀察平面上墨水的殘留情況，可以更加詳細(xì)有力地說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果：仿生材料具有的良好的疏水角和滑動角帶來了優(yōu)越的疏水性能和除污性能。

5 教學(xué)實(shí)踐體會

“納米材料”是現(xiàn)代化學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，積極嘗試與選擇學(xué)生身邊的情境素材作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)對象，對學(xué)生興趣激發(fā)、素養(yǎng)發(fā)展和能力培養(yǎng)有明顯效果。本實(shí)驗(yàn)在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的自主參與和主動探究貫穿于課題全程，不僅培養(yǎng)了學(xué)生聯(lián)系生活、研究探索的志趣，而且讓學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐和科學(xué)思維能力得到了較充分的鍛煉，使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融入到學(xué)生內(nèi)心深處。

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