超疏水材料披“鎧甲” 疏水耐磨兩者兼得

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。

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

但是，以往人們制備出的超疏水材料表面結構十分脆弱，難以實現廣泛應用。如何給超疏水材料表面披上堅固“鎧甲”且不影響其疏水性能，成為該領域研究學者努力的方向。

記者從電子科技大學獲悉，日前《自然》雜志以封面文章形式發(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，這篇名為《設計堅固的超疏水表面》的文章提出，通過給超疏水表面“穿上”具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性微結構“鎧甲”的方式，可解決超疏水表面機械穩(wěn)定性不足的關鍵問題。

超疏水性vs機械穩(wěn)定性

魚和熊掌難以取舍

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，在表面自清潔、生物防污、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出了巨大應用潛力。

據了解，超疏水材料的表面超疏水性，可歸因于其微/納米粗糙結構可以截留空氣并托起液滴的緣故。

“然而，這種結構也會導致超疏水材料更易磨損破碎。”論文第一作者、電子科技大學基礎與前沿研究院博士生王德輝說，不耐磨損還會導致底層材料暴露，表面局部化學性質發(fā)生改變，使其從疏水變成親水。

“根據以往的科學研究，人們認為材料表面的機械穩(wěn)定性和超疏水性是不能兼得的兩個特性。”王德輝說，這是因為微/納米粗糙結構是通過減少材料與水的接觸面積的方式來增強疏水性，這同時也會導致微/納米結構承受更高的局部壓強，從而更易磨損。這就意味著，在以往的超疏水材料中，超疏水性和機械穩(wěn)定性兩種特性，在一方的性能有所提高時，必然導致另一方的性能下降。

優(yōu)化設計出微結構“鎧甲”

新型材料一舉雙贏

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

“一方面，實現機械穩(wěn)定性需要在更大的結構尺度上進行幾何設計;另一方面，要保障良好的超疏水性則要在納米尺度進行結構優(yōu)化。”王德輝說，按照常規(guī)思路，很難在同一尺度實現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構尺度，分別進行優(yōu)化設計后，再組合到一起，讓可提供機械穩(wěn)定性的微結構發(fā)揮“鎧甲”作用，以防止具有超疏水性的結構受到磨損。

“微結構就是做到微米乃至更宏觀尺度級別，這種結構比較耐磨耐用，可提供機械穩(wěn)定性保護納米材料免遭磨損;而被保護的納米結構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構“鎧甲”就可以很好保護超疏水納米材料免遭磨損，從而構筑出“鎧甲化”超疏水表面。

在實驗過程中，該團隊通過結合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結構設計原則，同時利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術將鎧甲結構制備于硅片、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建出具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的“鎧甲化”超疏水表面。

已用于自清潔太陽能電池

未來用途將十分廣泛

記者了解到，目前研究人員已經將這種新型超疏水材料表面應用于太陽能電池蓋板。

“自清潔技術可以巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵等污染，能夠長期維持太陽能電池高效的能量轉換，并節(jié)省傳統清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。”王德輝說。

團隊發(fā)現，該新型超疏水材料同時也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，新材料還實現了玻璃鎧甲化表面的高透光率，這也將為應用于自清潔車用玻璃、建筑玻璃幕墻等創(chuàng)造條件。