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大学(University)师生团队琢磨超润滑新原料 祈望大幅度裁减干旱区域的马桶用水量

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中青报·中青网见习记者 杨洁 记者 樊未晨

如何让马桶的表面不滞留污染物?如何用最少的水冲洗干净物体的表面?近日,在菠萝科学奖的颁奖典礼上,华中科技(Technology)大学(University)苏彬教授带着学生(Students)在现场开展了一个从“有味道”到“没有味道”的科学实验。

在现场,他们(They)用八宝粥类复杂固液混合物模拟排泄物,将其倒在课题组研发的超润滑3D打印马桶上。结果(Result)显示,固液混合物完全没有停留在这种新研发的材料表面,完成了材料超润滑的特性测试。

“马桶是一个很好玩的应用切入口,这类超润滑新材料的研发与使用将来将大幅度减少干旱地区的马桶用水量。”苏彬告诉中青报·中青网记者,“不仅如此,具有超润滑性能的表面将来还可以应用在工业管道内壁上,防止管道的堵塞,延长管道的使用寿命。”

这项发明的创意来自大自然(Nature)。苏彬团队了解到,生活(Life)在东南亚石灰质森林底部的猪笼草,其叶尖进化出了一个个小马桶形状的“笼子”,内壁非常光滑。任何被这种光滑“笼子”中的蜜液吸引来的昆虫,都会失足滑进笼子内,变成猪笼草补充氮元素的肥料。

从猪笼草“捕虫笼”内壁的微结构中获取灵感,苏彬教授团队决定从马桶本身入手。他们(They)以塑料颗粒和疏水粒子的混合物为原材料,3D打印出了尺寸为普通马桶1/10的马桶模型。在3D打印的过程中,激光将原材料颗粒烧结,产生多孔结构。由于烧结后的固体颗粒之间存在的微小间隙,润滑油能够储存在整个烧结样品的表面,并渗透到其内部,如此即可制造具有超润滑性能的产品。

“用3D打印成型材料展开研究是一种新的突破思路。”苏彬介绍,原本的超浸润研究属于传统的二维表/界面研究,而3D打印材料提升到三维立体研究。通过两者的交叉研究,一方面可以降低超浸润材料的生产成本,另一方面可以为3D打印材料赋予超润滑等新性能。

要在3D打印的材料上做文章,需要克服的是粉末烧结技术。据苏彬介绍,如果粉末烧结过于密集,成型材料的孔隙率低,就会导致润滑油进入内部的量少;如果孔隙率过高,又会导致3D材料的力学强度下降。“如何让材料平衡力学强度与合理的容纳润滑油的孔隙率,是现在研究中的难点与挑战。”

华中科技(Technology)大学(University)材料科学与工程学院材料加工工程专业硕士生李翌珂进入团队后一直跟随博士生师兄研究超浸润材料。对李翌珂来说,在网友看来很有趣的实验背后也有着“枯燥”的一面。要搭建合适的3D打印材料体系,需要一遍遍地跑到工厂对接。而每一次成形过程,材料体系都要调整相应的参数配置,直到3D打印样品表现出优质性能。

“科研的乐趣和枯燥有时候看起来是矛盾的。比如说实验遇到了瓶颈,找不到过往研究进行(Carry Out)参考,会陷于沮丧的状态。”但在李翌珂看来,“真正的科研趣味在于,每一次失败(Failure)后所取得的一点点进步。”

苏彬的网站签名中写着“自由的科研”。在苏彬看来,“只有好奇心可以驱动科研的发展。”如果只是按部就班地完成团队交付的任务,那么从长远来看,青年科学家很难获得突破性的进展。他认为,在实验之中要善于发现异常之处,再通过深度研究,揭开科学的真正奥秘。

团队的成果被报道后,有从事化工行业的企业家慕名而来,希望(Hope)可以利用(Use)这项发明解决管道运输中粘壁堵塞的问题;有企业前来对接如何大规模地生产超滑马桶;也有企业和团队探讨如何利用(Use)材料解决生产中容器内表面存污等问题。

“要从实验室走向产业化还有一段路需要走。”苏彬提到,将来他们(They)将和企业合作,测试不同生产环境中材料的适应性情况,根据产品实际应用的环境特点去研发出适应性产品,推动这项发明走出实验室,走进千家万户。

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