光磁复合操控超疏水性光热吸收器运动研究.pdf

摘要

超疏水性光热吸收器在具有高效光热转化能力的同时，超疏水性也使得固液

接触时具有非粘滞、低阻力的特点。目前超疏水性光热器件已在防/除冰、海水淡

化和杀菌消毒等多个领域有所应用，其中光驱动和水体清洁是新兴研究焦点。然而，

器件性质功能相对单一的不足无法应对复杂的应用需求。为此，本文采用简单的浸

泡法调控表面形貌，分别制备了液体弹珠结构和海绵状疏松多孔结构的超疏水性

光热吸收器，并与磁驱动结合，得到了具有复合特性的器件。

（1）通过浸泡法在SiO纳米颗粒表面拼接含氟有机链条，增加表面能的同时

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保持了微纳尺度粗糙表面形貌，接触角为173°，实现超疏水性。利用SiO2和水

基磁流体制得了液体弹珠光热吸收器，具备非粘滞性，光热转换效率为83.2%，并

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且磁化率为1.35，具有超顺磁性。使用仅7.95×10Am的静态磁场磁化甲苯表面

的两枚液体弹珠，与此同时，使用连续激光照射以产生Marangoni效应，驱动器件

进行类似“双子星”的圆周运动。只需简单的静态磁场和激光，就能实现非接触、

可控、连续和高响应的复杂周期性曲线运动。基于“双子星”系统的概念，设计了

一种激光脉冲信号发生器。

（2）通过浸泡法，海绵骨架上沉积FeO纳米颗粒、聚二甲基硅氧烷与TiN纳

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米颗粒，得到了微纳尺度粗糙表面形貌，接触角达到163°，实现超疏水性。该器

件兼具水体清洁器、磁驱动致动器和光热吸收器的复合功能。作为水体清洁器，器

件密度仅48.8kgm-3，可漂浮在水上；在具有拒水性的同时，表现出有机亲液性，

对挥发性有机化合物的高吸收效率平均达到98.5%。作为磁驱动致动器，器件具有

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接近顺磁性的亚铁磁性，磁驱动下对200mL挥发性有机化合物浓度达到3.3×10

mgL-1的污水，在75s内完成基本清洁。浸泡沉积使得器件的光热转换能力提升

19倍，在吸收污染物的同时还可以蒸发污染物，在1000Wm-2光照下温度提高7℃，

最大蒸发速率达到20.6kgm-2h-1。器件还具备良好的使用寿命和耐用性，循环可

重复性好，耐酸碱腐蚀和高低温，并且具有柔性和机械应变恢复性。

关键词：超疏水表面，光热吸收器，光操控，磁操控，致动器

ABSTRACT

Superhydrophobicphoto-thermalabsorbers,whilepossessingefficientlight-to-heat

conversioncapabilities,alsoexhibitnon-adhesiveandlow-resistancecharacteristics

duringsolid-liquidcontactduetotheirsuperhydrophobicnature.Currently,

superhydrophobicphoto-thermaldeviceshavefoundapplicationsinvariousfieldssuch

asanti/de-icing,seawaterdesalination,andsterilization,withemergingresearchfocuses

onopticallydrivenprocessesandwaterpurification.However,theshortcomingsof

deviceswithrelativelysingularfunctionalpropertieslimittheirabilitytomeetthe

de