仿生荷葉的超疏水材料由于其獨(dú)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(rùn)系統(tǒng)理論。以江雷院士團(tuán)隊(duì)、David Quéré 教授團(tuán)隊(duì)等為代表的國(guó)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(jiān)實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)Cassie-Baxter態(tài)的同時(shí)創(chuàng)造低的固-液接觸。然而，微/納米粗糙結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷下會(huì)產(chǎn)生極高的局部壓強(qiáng)，使其易碎易磨損。此外，磨損會(huì)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(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為表面的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個(gè)性能，正所謂“魚(yú)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(shí)，又能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，是當(dāng)前超疏水材料面對(duì)實(shí)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(tuán)隊(duì)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(dāng)期封面。該工作提出去耦合機(jī)制將表面浸潤(rùn)性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過(guò)在兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度上分別進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)“鎧甲”，解決了超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問(wèn)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(biāo)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(kāi)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)，從而更易磨損，這就意味著超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性在提高一種性能時(shí)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(guò)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，并提出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”保護(hù)超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。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，利用光刻、冷/熱壓等微細(xì)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(jī)械穩(wěn)定性的鎧甲化超疏水表面。
該工作在集成高強(qiáng)度機(jī)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(shí)，還實(shí)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(chē)用玻璃、太陽(yáng)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(yáng)能電池蓋板，實(shí)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(yáng)能電池面板的解決方案?；诓Ａаb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(niǎo)類(lèi)糞便等污染，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(guò)程中必需的淡水資源和勞動(dòng)力成本。該論文創(chuàng)新的設(shè)計(jì)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(jìn)一步推動(dòng)超疏水表面進(jìn)入廣泛的實(shí)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(xiàn)：
- ?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(guó)馬普學(xué)會(huì)伙伴小組聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，主要研究領(lǐng)域?yàn)椴牧媳砻婵茖W(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(guó)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(guó)際知名學(xué)術(shù)媒體多次專(zhuān)題報(bào)道。
作為主要發(fā)明人獲得歐洲發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)。
榮獲四川省學(xué)科技術(shù)帶頭人（2019）、國(guó)際仿生學(xué)會(huì)青年委員（2019）、中國(guó)化學(xué)會(huì)仿生材料化學(xué)委員會(huì)委員（2019）、中國(guó)十大科技新銳人物（2019），中國(guó)化學(xué)會(huì)首屆菁青化學(xué)新銳獎(jiǎng)（2019）
