中國科學家成果登上《Nature》封面！荷葉出淤泥而不染的“續(xù)篇”來了
撰文 | 陳振鵬、盛利（科技日報記者），本文來自“科技日報”。
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為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系。
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)表了該校基礎與前沿研究院鄧旭教授團隊最新科研成果，該篇名為《設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)等領域展現(xiàn)出了巨大應用潛力。
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域建立了堅實的理論和應用基礎，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?！闭撐牡谝蛔髡?、電子科大基礎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?！彼f，比如輕微觸碰、沙塵暴襲擊等都可能導致其超疏水性能“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用領域亟須解決的關建難題。
“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，也會導致微/納米結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強，從而更易磨損?！斑@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致另一種性能下降。”
超疏水表面如何加固？拆分優(yōu)化設計出“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?！蓖醯螺x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、電子科技大學基礎與前沿研究院鄧旭教授及其團隊提出了新的實驗設想：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?！蓖醯螺x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?！按送?，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、高壓輸電設備防凍防結(jié)冰？超疏水表面的用途十分廣泛?！蓖醯螺x說，該論文展示了鎧甲化超疏表面非凡的應用潛力，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。
來源：科技日報。
