梯度氮化硼纳米片网格表面在莱顿温度以下通过蒸汽润滑层实现对液滴的定向驱动

有效降低蒸汽润滑层厚度在固体表面莱顿弗罗斯特温度以下实现液滴的定向驱动，是制约高温固体界面润滑和传热的瓶颈问题。近日，北京航空航天大学的王景明博士团队通过CVD方法制备了高度（垂直方向）及密度（水平方向）双向梯度氮化硼纳米片网格表面，高温下该表面可同时实现有效的传热和液滴定向驱动。

固体表面对液滴的定向驱动在集雾、热传导、微流控、微器件等技术领域具有诸多的应用前景。通过结构形貌、表面组成等构筑表面能梯度或引入光照、温度梯度等外界刺激打破液滴在固体表面的浸润对称性，在较低温度下可实现液滴的定向驱动。在高温下，由于涂层易于分解，因此只能通过构筑不对称界面结构实现液滴的定向驱动。通常情况下，高温固体表面需要较厚的蒸汽层将液滴与高温表面隔离开以消除三相接触线的钉轧。高温固体表面液滴定向驱动的温度均在液滴的莱顿弗罗斯特点附近甚至以上。然而，较厚的蒸汽层不利于高温固体表面传热。

2D六方氮化硼材料由sp2杂化的B-N极性共价键构成，其基面内机械强度与导热性能接近石墨烯，同时兼备石墨烯材料优良的耐热性和化学稳定性，带隙宽、透明性佳，在介电质层、透明薄膜等纳米涂层及包覆材料领域具有极大的的应用潜力。极性的B-N键使2D六方氮化硼基面易于发生畸变皱褶，产生较大的表面偶极矩，因此光滑的2D六方氮化硼材料表现出本征亲水性。北京航空航天大学的王景明博士团队通过CVD方法获得呈现彩虹颜色、高度（垂直方向）及密度（水平方向）双向梯度氮化硼纳米片网格表面（图1）。由于六方氮化硼纳米片表面具有很多褶皱，纳米片卷曲/弯折，常温条件下，当水滴滴至氮化硼纳米片网格阵列时，液滴会钉扎在褶皱和卷曲/弯折区域，不能浸入网格内部，呈现出结构疏水性质（图2）。

图1. 双向梯度氮化硼纳米片表面的光学成像及拉曼光谱

图2. 高度（垂直方向）及密度（水平方向）双向梯度氮化硼纳米片网格表面不同区域的微观结构和水滴接触角成像

在双向梯度氮化硼纳米片网格表面，六方氮化硼材料本征的亲水性使其纳米片在高温下易于被液滴浸润，显著提高了界面的莱顿弗罗斯温度；而直立纳米片网格中束缚的空气垫可充当部分润滑层，仅需产生较薄的蒸汽润滑层即可实现液滴定向驱动，为实现高温界面有效换热提供了可能性，其有利于解决微器件的散热，有效提高高温界面的服役温度范围。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，江西理工大学材料科学与工程学院的王宇博士、北京航空航天大学化学学院的硕士生王瑞晓及周艳娇为该文章的第一作者。