来自澳大利亚科廷大学的科学家们在《Advanced Functional Materials》杂志上发表了一项创新研究成果。他们发现了一种通过超声化学方法对玻璃进行功能化的全新技术，利用芳基重氮盐在玻璃表面生成有机聚合物薄膜。该方法解决了传统硅烷化技术中易水解和使用有毒化学品的问题，为玻璃表面改性提供了一种更环保、更稳定的解决方案。
功能化玻璃在材料科学和生物医学领域中扮演着关键角色，传统方法通过硅烷化反应或聚合物涂层实现，但这些方法存在易水解和使用有毒化学品的缺点。因此，开发一种更环保、更稳定的玻璃功能化方法成为研究的重要方向。
研究人员采用超声化学方法，利用24 kHz/400 W的超声条件处理芳基重氮盐溶液。在超声诱导的空化作用下，溶液中的微气泡产生局部高温高压，生成氢自由基并还原重氮盐，形成与玻璃表面共价结合的有机聚合物薄膜。通过改变重氮盐的末端基团，可以调节玻璃表面的疏水性或电荷特性。实验中，研究人员通过核磁共振（NMR）、紫外-可见光谱（UV-vis）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对反应过程和表面特性进行了表征。
图：玻璃上重氮盐薄膜的超声化学制备示意图。通过超声处理在玻璃表面形成有机聚合物薄膜，显著增强了玻璃的疏水性，并通过染料扩散实验展示其表面性质的改变。a) 玻璃在4-庚基苯基重氮盐（乙腈中）的超声处理（400 W，24 kHz）；b) 玻璃和二氧化硅终止硅表面与乙腈中的双重氮盐的超声化学反应。表面功能化反应在存在微量水的情况下加速，表明超声空化产生的H•和HO•自由基的参与。H•的长寿命创造了还原环境，其中H•失去的电子还原重氮盐。c) 表示玻璃改性表面与微藻（小球藻）、细菌（大肠杆菌）和酵母（酿酒酵母）的相互作用示意图
研究发现，经过超声处理的玻璃表面表现出显著的疏水性，水接触角从14°增加到98°，表明表面性质可以通过重氮盐的末端基团进行调控。XPS分析确认了玻璃表面与重氮盐之间的共价键合，且形成的Si–O–C键比传统硅烷化中的Si–O–Si键更稳定。实验还表明，功能化玻璃表面能够有效吸附微藻（如小球藻）、细菌（如大肠杆菌）和酵母（如酿酒酵母），表面覆盖率显著提高，例如小球藻的覆盖率从18.2%提高到92.0%。此外，功能化玻璃在热有机溶剂中表现出良好的稳定性，且在经过四丁基氟化铵（TBAF）处理后，Si–O–C键仍保持完整。
图：a) 提出的超声化学还原重氮盐在玻璃上的机制，通过表面羟基（–OH）捕获芳基自由基。超声探头固定，玻璃沿中心的紫色区域移动。b) 超声化学改性前（左）和超声处理60分钟（右）后玻璃表面的水滴图像。c) 超声处理后玻璃表面的水接触角。d) 超声溶剂（乙腈）中故意添加的水浓度与水接触角之间的关系
图：a) 改性玻璃板与酿酒酵母细胞之间的疏水-疏水相互作用示意图。玻璃板：b) 清洁玻璃，c) 4-庚基苯基重氮盐改性，d) Br-重氮盐改性，e) 双重氮盐改性。所有改性表面在1 × 10⁸ cells/ml的酿酒酵母悬浮液中浸泡1小时后拍摄。图像b-e在40倍光学显微镜下拍摄
图：a) 清洁未改性玻璃，b) 4-庚基苯基重氮盐改性玻璃，c) Br-重氮盐改性玻璃，d) 双重氮盐改性玻璃。所有改性表面在1 × 10⁸ cells/ml的大肠杆菌培养液中浸泡1小时后拍摄。图像a-d在40倍光学显微镜下拍摄
该研究展示了一种简单、环保且可扩展的玻璃功能化方法，能够根据需求定制玻璃表面的疏水性或电荷特性。这种功能化玻璃在生物燃料生产、废水处理、生物传感器和生物燃料电池等领域具有广阔的应用前景，为材料科学和生物技术的发展提供了新的可能性。
李博士说：“玻璃的应用十分广泛——从汽车、建筑物到工业过滤器——但其吸水的自然特性限制了它的性能。”
“与传统涂层不同，这种薄膜不会剥落、溶于水或变质，因此非常适合可靠性和耐用性至关重要的实际应用。这意味着大雨中挡风玻璃会更清晰，摩天大楼窗户会自清洁，太阳能电池板不会沾上灰尘。”
该研究团队目前正在寻求行业合作伙伴来测试和扩大该技术，特别是在汽车、建筑和环境领域。
这项研究是与昆士兰大学、弗林德斯大学、西澳大利亚大学和查尔斯特大学合作进行的。
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