创新纳米表面技术：可调控zeta电位的大面积制备与应用

在清洁能源与水处理技术快速发展的今天，具有特殊功能的纳米结构表面正成为材料科学的研究热点。通过精确调控表面电荷与润湿特性，这类材料在膜分离、催化反应、防污涂层等领域展现出突破性应用潜力。

一、纳米结构表面核心特性解析

采用嵌段共聚物（BCP）自组装技术，研究人员成功制备出大面积规则排列的锥形纳米柱阵列（图1）。通过优化等离子刻蚀工艺，纳米结构高度可控制在180nm以上，基底间距保持52±4nm的六边形晶格排列。

图1 基于BCP自组装的纳米加工方案

该表面经十八烷基三氯硅烷（OTS）涂层处理后，呈现150°超疏水接触角与40nm流体滑移长度特性。扫描电镜分析显示（图2），锥形结构顶端曲率半径小于10nm，这种独特形貌使其在20bar高压下仍能有效阻隔水分渗透。

图2 制备的纳米结构表面的表面形貌和润湿性能

二、表面电荷调控关键技术突破

研究团队首次实现超疏水表面zeta电位的精确测量。通过定制化流电位检测系统（图3），在1-10mM KCl溶液体系中测得表面电势随pH值（4-8）的规律性变化，为电荷调控提供实验依据。

图3 通过流电位测量测定zeta电位的实验配置

关键发现：

1.表面电势幅值随离子浓度升高呈指数衰减

2.pH值每增加1单位，zeta电位负向偏移15mV

3.纳米结构高度与电荷密度存在正相关关系

三、产业化应用场景展望

1.​高效膜分离技术：超疏水特性与可控表面电荷协同作用，可提升海水淡化膜的抗污染能力与离子选择性

2.​新型电极材料：规则纳米阵列结构为锂离子电池提供更大的比表面积与更快的电荷传输通道

3.​智能防污涂层：动态zeta电位调控机制可用于船舶防生物附着涂层的开发

4.精准检测平台：表面电荷可调的纳米结构可作为生物传感器的理想基底材料

四、技术优势与产业价值

相比传统纳米制造工艺，本技术具有三大核心优势：

• 制备效率提升：热退火工艺优化使加工时间缩短40%
• 规模化生产能力：可在8英寸硅片上实现均匀结构制备
• 物化特性可调：通过改变刻蚀参数可同步调控润湿性与表面电荷

据行业分析，该技术在水处理膜组件领域的应用可使运行能耗降低22%，在新能源电池领域有望提升15%以上的能量密度。

参考文献：1.Al Hossain, A.;  Yang, M.;  Checco, A.;  Doerk, G.; Colosqui, C. E., Large-area nanostructured surfaces with tunable zeta potentials. Appl. Mater. Today 2020, 19, 100553.

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