超疏水材料披“鎧甲” 疏水耐磨可兼得

原文來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

陳振鵬 本報(bào)記者 盛 利

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(huì)被打濕？其實(shí)，這些都與動(dòng)植物“身體”表面的超疏水性有關(guān)系。

受上述自然現(xiàn)象的啟發(fā)，人們逐漸掌握了材料疏水的秘密——其對(duì)水具有極好的排斥性，水滴在其表面保持球狀極易滾動(dòng)，且水珠滾動(dòng)的過程中還可以帶走材料表面的塵埃，達(dá)到清潔效果。

但是，以往人們制備出的超疏水材料表面結(jié)構(gòu)十分脆弱，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。如何給超疏水材料表面披上堅(jiān)固“鎧甲”且不影響其疏水性能，成為該領(lǐng)域研究學(xué)者努力的方向。

記者從電子科技大學(xué)獲悉，日前《自然》雜志以封面文章形式發(fā)表了該?；A(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授團(tuán)隊(duì)最新科研成果，這篇名為《設(shè)計(jì)堅(jiān)固的超疏水表面》的文章提出，通過給超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性微結(jié)構(gòu)“鎧甲”的方式，可解決超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。

超疏水性vs機(jī)械穩(wěn)定性

魚和熊掌難以取舍

近年來(lái)，源于動(dòng)植物仿生學(xué)的超疏水材料由于其獨(dú)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。

據(jù)了解，超疏水材料的表面超疏水性，可歸因于其微/納米粗糙結(jié)構(gòu)可以截留空氣并托起液滴的緣故。

“然而，這種結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致超疏水材料更易磨損破碎?！闭撐牡谝蛔髡?、電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝說(shuō)，不耐磨損還會(huì)導(dǎo)致底層材料暴露，表面局部化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，使其從疏水變成親水。

“根據(jù)以往的科學(xué)研究，人們認(rèn)為材料表面的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性是不能兼得的兩個(gè)特性。”王德輝說(shuō)，這是因?yàn)槲?納米粗糙結(jié)構(gòu)是通過減少材料與水的接觸面積的方式來(lái)增強(qiáng)疏水性，這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致微/納米結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強(qiáng)，從而更易磨損。這就意味著，在以往的超疏水材料中，超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性兩種特性，在一方的性能有所提高時(shí)，必然導(dǎo)致另一方的性能下降。

優(yōu)化設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”

新型材料一舉雙贏

要實(shí)現(xiàn)同一材料表面的機(jī)械穩(wěn)定性與超疏水性能雙重疊加，就要給機(jī)械性能較弱的超疏水材料表面裝上“鎧甲”。

“一方面，實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性需要在更大的結(jié)構(gòu)尺度上進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)；另一方面，要保障良好的超疏水性則要在納米尺度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化?！蓖醯螺x說(shuō)，按照常規(guī)思路，很難在同一尺度實(shí)現(xiàn)上述兩種性能的兼容。能不能嘗試拆分處理呢？論文通訊作者、電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授及其團(tuán)隊(duì)提出了新的實(shí)驗(yàn)設(shè)想：即通過“去耦合機(jī)制”將超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再組合到一起，讓可提供機(jī)械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)發(fā)揮“鎧甲”作用，以防止具有超疏水性的結(jié)構(gòu)受到磨損。

“微結(jié)構(gòu)就是做到微米乃至更宏觀尺度級(jí)別，這種結(jié)構(gòu)比較耐磨耐用，可提供機(jī)械穩(wěn)定性保護(hù)納米材料免遭磨損；而被保護(hù)的納米結(jié)構(gòu)則主要承擔(dān)超疏水性。”王德輝說(shuō)，這樣通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后制備的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”就可以很好保護(hù)超疏水納米材料免遭磨損，從而構(gòu)筑出“鎧甲化”超疏水表面。

在實(shí)驗(yàn)過程中，該團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合浸潤(rùn)性理論和機(jī)械力學(xué)原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，同時(shí)利用光刻、冷/熱壓等微細(xì)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(jī)械穩(wěn)定性的“鎧甲化”超疏水表面。

已用于自清潔太陽(yáng)能電池

未來(lái)用途將十分廣泛

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(yáng)能電池蓋板。

“自清潔技術(shù)可以巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染，能夠長(zhǎng)期維持太陽(yáng)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(dòng)力成本。”王德輝說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該新型超疏水材料同時(shí)也兼具了耐化學(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。此外，新材料還實(shí)現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率，這也將為應(yīng)用于自清潔車用玻璃、建筑玻璃幕墻等創(chuàng)造條件。