什么水蜘蛛可以在水上行走？為什么荷葉“出淤泥而不染”？為什么蝴蝶的翅膀不會被打濕？其實，這些都與動植物“身體”表面的超疏水性有關(guān)系。

視覺中國供圖

受上述自然現(xiàn)象的啟發(fā)，人們逐漸掌握了制備超疏水材料以實現(xiàn)自清潔的“秘密”——其對水具有極好的排斥性，水滴在其表面無法鋪展而保持球狀且極易滾動，滾動過程中可以帶走表面塵埃，從而達到自清潔效果。

但是，這種超疏水材料表面結(jié)構(gòu)十分脆弱，難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。如何給超疏水材料表面“披上”堅固“鎧甲”？未來這種新型表面會有哪些應(yīng)用？記者6月8日從電子科技大學獲悉，日前《自然》雜志封面發(fā)表了該校基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授團隊最新科研成果，該篇名為《設(shè)計堅固的超疏水表面》的論文提出，通過為超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式，解決了超疏水表面機械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。

該論文在《自然》雜志封面刊發(fā)。受訪者供圖

“超疏水性vs機械穩(wěn)定性”魚和熊掌能否兼得？

荷葉為何“出淤泥而不染”？這是因為荷葉上的灰塵和污垢很容易被露珠和雨水帶走，從而保持表面的清潔。近年來，源于動植物仿生學的超疏水材料由于其獨特的物理性質(zhì)，在表面自清潔、生物防污、防水抗結(jié)冰、流體減阻以及傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用潛力。

在我國，以江雷院士團隊為代表的廣大研究群體在固液界面材料研究領(lǐng)域建立了堅實的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，并取得了豐碩的研究成果。

“然而，由于需要借助微納米粗糙結(jié)構(gòu)，超疏水材料更易磨損破碎。”論文第一作者、電子科大基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝說，這種磨損也會暴露底層材料，改變表面局部化學性質(zhì)，使其從疏水性變成親水性，導(dǎo)致水滴釘扎。

“通常，傳統(tǒng)的材料表面一旦引入超疏水性后，它的抗磨損性能就不會太好。”他說，比如輕微觸碰、沙塵暴襲擊等都可能導(dǎo)致其超疏水性能“失效”。因此，如何保證材料表面既有良好超疏水性，又兼具較強機械穩(wěn)定性，是當前超疏水材料走入實際應(yīng)用領(lǐng)域亟須解決的關(guān)建難題。

“根據(jù)已有科學研究，人們認為材料表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性。”王德輝說，這是因為通過減少接觸面積的方式來增強疏水性的同時，也會導(dǎo)致微/納米結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強，從而更易磨損。“這就意味著超疏水性和機械穩(wěn)定性在提高一種性能時必然導(dǎo)致另一種性能下降。”

超疏水表面如何加固？拆分優(yōu)化設(shè)計出“微結(jié)構(gòu)鎧甲”

那么，該如何給機械性能較弱的超疏水材料表面裝上“鎧甲”，實現(xiàn)同一材料表面的機械穩(wěn)定性與超疏水性能雙重疊加呢？

“一方面，要實現(xiàn)機械穩(wěn)定性需在更大的結(jié)構(gòu)尺度進行幾何設(shè)計；另一方面，若想獲得更好的超疏水性則要在納米尺度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。”王德輝說，按照常規(guī)思路，很難在同一尺度實現(xiàn)上述兩種性能的兼容。

能不能試試拆分處理呢？論文通訊作者、電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授及其團隊提出了新的實驗設(shè)想：即通過“去耦合機制”將超疏水性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，再利用微結(jié)構(gòu)給超疏水納米材料提供堅固“鎧甲”以防止磨損。

“微結(jié)構(gòu)就是做到微米乃至更宏觀級別，比較耐磨耐用，僅提供機械穩(wěn)定性保護納米材料免遭磨損；而被保護的納米結(jié)構(gòu)則主要承擔超疏水性。”王德輝說，這樣通過優(yōu)化設(shè)計后制備的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”就可以很好保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損，從而構(gòu)筑出鎧甲化超疏水表面。

鎧甲微結(jié)構(gòu)尺寸越小，超疏水性對斷裂性磨損越敏感。受訪者供圖

在實驗過程中，該團隊通過結(jié)合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，同時利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術(shù)將鎧甲結(jié)構(gòu)制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，與超疏水納米材料復(fù)合構(gòu)建出具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的鎧甲化超疏水表面。

這種微細加工技術(shù)要精確到何種程度呢？“提供機械性能，微米級就夠了。”王德輝說，一般情況下，在微米級結(jié)構(gòu)上，尺度越大，對摩擦磨損越不敏感。

新技術(shù)已用于自清潔太陽能電池

記者了解到，目前研究人員已經(jīng)將這種新型超疏水材料表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板。

王德輝說，新材料通過表面依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式，將為少雨地區(qū)提供自清潔太陽能電池的解決方案。“此外，基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術(shù)還可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染，長期維持太陽能電池高效的能量轉(zhuǎn)換，并節(jié)省傳統(tǒng)清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。”他說。

高透光率的玻璃鎧甲化超疏水表面應(yīng)用于自清潔太陽能電池板示意圖。受訪者供圖

王德輝說，團隊還發(fā)現(xiàn)該新型超疏水材料還兼具了耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能。此外，新材料還實現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率，這也將為該表面應(yīng)用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創(chuàng)造條件。

“如何才能讓酸奶干干凈凈地倒出來？軍艦、輪船等船體上如何減少貝殼等生物黏附？如何才能使機翼、軍艦、高壓輸電設(shè)備防凍防結(jié)冰？超疏水表面的用途十分廣泛。”王德輝說，該論文展示了鎧甲化超疏表面非凡的應(yīng)用潛力，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應(yīng)用。

來源：科技日報

[責任編輯：楊凡、武云泉]

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