仿生荷葉的超疏水材料由于其獨特的固-液界面性質(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)出了巨大的應(yīng)用潛力，隨之又發(fā)展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統(tǒng)理論。以江雷院士團隊、David Quéré 教授團隊等為代表的國內(nèi)外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[1-4]。
一般情況下，材料表面實現(xiàn)超疏水性需要借助微/納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能截留空氣并托起液滴，實現(xiàn)Cassie-Baxter態(tài)的同時創(chuàng)造低的固-液接觸。然而，微/納米粗糙結(jié)構(gòu)在機械載荷下會產(chǎn)生極高的局部壓強，使其易碎易磨損。此外，磨損會暴露底層材料，改變表面的局部化學(xué)性質(zhì)使其從疏水性變成親水性，導(dǎo)致水滴釘扎。長期以來，人們認為表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個性能，正所謂“魚和熊掌，不可兼得”。因此，如何保證在擁有良好超疏水性能的同時，又能實現(xiàn)較強的機械穩(wěn)定性，是當前超疏水材料面對實際應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵難題 [5]。
最近，Nature 正式刊發(fā)了電子科技大學(xué)鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學(xué)Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被選為當期封面。該工作提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過在兩個結(jié)構(gòu)尺度上分別進行最優(yōu)設(shè)計，為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”，解決了超疏水表面機械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。該工作第一作者為電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝，這是電子科技大學(xué)首次以第一單位在Nature 上發(fā)表研究成果，標志著電子科技大學(xué)在材料表面科學(xué)研究域取得了重大突破。合作者還包括：芬蘭阿爾托大學(xué)Quan Zhou教授、電子科技大學(xué)陳龍泉教授和朱順鵬教授、北京理工大學(xué)周天豐教授、香港城市大學(xué)王鉆開教授、布魯克納米表面研究中心Fan-Yen Lin博士、漢能光伏何博博士等。
通常，減少固-液接觸是增強表面超疏水性的常用手段，根據(jù)Cassie-Baxter方程，固-液接觸面積的減小，有利于提高表觀接觸角和降低滾動角。但由于接觸面積的降低，必然導(dǎo)致微/納結(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。該論文基于全新思路，首次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，并提出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結(jié)合浸潤性理論和機械力學(xué)原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術(shù)將裝甲結(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。
該工作在集成高強度機械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時，還實現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率，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)造了必要條件。研究人員將該表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板，實現(xiàn)了依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式，為少雨地區(qū)提供了自清潔太陽能電池面板的解決方案。基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術(shù)可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵、鳥類糞便等污染，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。該論文創(chuàng)新的設(shè)計思路和通用的制造策略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。
全文鏈接：
Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin, Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou, Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng，Design of robust superhydrophobic surfaces，Nature, 2020, 582, 55–59, DOI: 10.1038/s41586-020-2331-8
參考文獻：
- ?Lin Feng, Shuhong Li, Yingshun Li, Huanjun Li, Lingjuan Zhang, Jin Zhai, Yanlin Song, Biqian Liu, Lei Jiang, Daoben Zhu.Super‐hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Adv. Mater., 2002, 14, 1857-1860
- Yongmei Zheng, Hao Bai, Zhongbing Huang, Xuelin Tian, Fu-Qiang Nie, Yong Zhao, Jin Zhai, Lei Jiang. Directional water collection on wetted spider silk. Nature, 2010, 463, 640-643
- David Quéré. Wetting and roughness. Ann. Rev. Mater. Res., 2008, 38, 71-99
- Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nat. Mater., 2019, 18, 936-941
- Xuelin Tian, Tuukka Verho, Robin HA Ras. Moving superhydrophobic surfaces toward real-world applications. Science, 2011, 352, 142-143
課題組介紹
鄧旭，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院教授，材料表面科學(xué)研究中心、德國馬普學(xué)會伙伴小組聯(lián)合實驗室負責人，主要研究領(lǐng)域為材料表面科學(xué)、物理化學(xué)、仿生工程等。
已在Science, Nature, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letter, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等國際著名期刊上發(fā)表文章60余篇，并被Nature，Nature Nanotechnology，Nature Physics，MIT Technology Review等國際知名學(xué)術(shù)媒體多次專題報道。
作為主要發(fā)明人獲得歐洲發(fā)明專利3項，美國發(fā)明專利2項，中國發(fā)明專利5項。
榮獲四川省學(xué)科技術(shù)帶頭人（2019）、國際仿生學(xué)會青年委員（2019）、中國化學(xué)會仿生材料化學(xué)委員會委員（2019）、中國十大科技新銳人物（2019），中國化學(xué)會首屆菁青化學(xué)新銳獎（2019）
