超疏水材料披“铠甲” 疏水耐磨可兼得

    原文来源：科技日报

    陈振鹏 本报记者 盛 利

    为什么水蜘蛛可以在水上行走？为什么荷叶“出淤泥而不染”？为什么蝴蝶的翅膀不会被打湿？其实，这些都与动植物“身体”表面的超疏水性有关系。

    受上述自然现象的启发，人们逐渐掌握了材料疏水的秘密——其对水具有极好的排斥性，水滴在其表面保持球状极易滚动，且水珠滚动的过程中还可以带走材料表面的尘埃，达到清洁效果。

    但是，以往人们制备出的超疏水材料表面结构十分脆弱，难以实现广泛应用。如何给超疏水材料表面披上坚固“铠甲”且不影响其疏水性能，成为该领域研究学者努力的方向。

    记者从电子科技大学获悉，日前《自然》杂志以封面文章形式发表了该校基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研成果，这篇名为《设计坚固的超疏水表面》的文章提出，通过给超疏水表面“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式，可解决超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

    超疏水性vs机械稳定性

    鱼和熊掌难以取舍

    近年来，源于动植物仿生学的超疏水材料由于其独特的物理性质，在表面自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大应用潜力。

    据了解，超疏水材料的表面超疏水性，可归因于其微/纳米粗糙结构可以截留空气并托起液滴的缘故。

    “然而，这种结构也会导致超疏水材料更易磨损破碎。”论文第一作者、电子科技大学基础与前沿研究院博士生王德辉说，不耐磨损还会导致底层材料暴露，表面局部化学性质发生改变，使其从疏水变成亲水。

    “根据以往的科学研究，人们认为材料表面的机械稳定性和超疏水性是不能兼得的两个特性。”王德辉说，这是因为微/纳米粗糙结构是通过减少材料与水的接触面积的方式来增强疏水性，这同时也会导致微/纳米结构承受更高的局部压强，从而更易磨损。这就意味着，在以往的超疏水材料中，超疏水性和机械稳定性两种特性，在一方的性能有所提高时，必然导致另一方的性能下降。

    优化设计出微结构“铠甲”

    新型材料一举双赢

    要实现同一材料表面的机械稳定性与超疏水性能双重叠加，就要给机械性能较弱的超疏水材料表面装上“铠甲”。

    “一方面，实现机械稳定性需要在更大的结构尺度上进行几何设计；另一方面，要保障良好的超疏水性则要在纳米尺度进行结构优化。”王德辉说，按照常规思路，很难在同一尺度实现上述两种性能的兼容。能不能尝试拆分处理呢？论文通讯作者、电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授及其团队提出了新的实验设想：即通过“去耦合机制”将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，分别进行优化设计后，再组合到一起，让可提供机械稳定性的微结构发挥“铠甲”作用，以防止具有超疏水性的结构受到磨损。

    “微结构就是做到微米乃至更宏观尺度级别，这种结构比较耐磨耐用，可提供机械稳定性保护纳米材料免遭磨损；而被保护的纳米结构则主要承担超疏水性。”王德辉说，这样通过优化设计后制备的微结构“铠甲”就可以很好保护超疏水纳米材料免遭磨损，从而构筑出“铠甲化”超疏水表面。

    在实验过程中，该团队通过结合浸润性理论和机械力学原理分析得出微结构设计原则，同时利用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表面，与超疏水纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的“铠甲化”超疏水表面。

    已用于自清洁太阳能电池

    未来用途将十分广泛

    记者了解到，目前研究人员已经将这种新型超疏水材料表面应用于太阳能电池盖板。

    “自清洁技术可以巧妙地利用雨或雾滴消除粉尘等污染，能够长期维持太阳能电池高效的能量转换，并节省传统清洁过程中必需的淡水资源和劳动力成本。”王德辉说。

    团队发现，该新型超疏水材料同时也兼具了耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能。此外，新材料还实现了玻璃铠甲化表面的高透光率，这也将为应用于自清洁车用玻璃、建筑玻璃幕墙等创造条件。