超疏水材料被“装甲”覆盖 既可以疏水又可以耐磨

为什么水蜘蛛能在水上行走？为什么荷叶“不沾泥而出”？为什么蝴蝶的翅膀不能被弄湿？事实上，这些都与动植物“身体”表面的超疏水性有关。

受上述自然现象的启发，人们逐渐掌握了疏水性材料——的秘密，它具有优异的防水性。水滴在其表面保持球形，并且容易滚动。此外，在水滴滚动过程中，物料表面的灰尘会被带走，达到清洁的效果。

然而，过去人们制备的超疏水材料表面结构非常脆弱，难以实现广泛应用。如何在不影响超疏水材料疏水性能的前提下，给超疏水材料涂上一层坚固的“保护层”，已成为该领域的研究方向。

记者从电子科技大学了解到，前几天，《自然》杂志以封面文章的形式发布了邓旭教授团队在其基础和领先研究所的最新科研成果。名为《设计坚固的超疏水表面》的文章提出，超疏水表面机械稳定性不足的关键问题可以通过在超疏水表面“穿上”具有优异机械稳定性的微结构“盔甲”来解决。

超疏水与机械稳定性

很难在鱼和熊掌之间做出选择。

近年来，源于动植物仿生学的超疏水材料因其独特的物理性质，在表面自清洁、生物防污、防水防冰、流体减阻、传热传质等领域显示出巨大的应用潜力。

据了解，超疏水材料的超疏水表面可归因于其微/纳米粗糙结构能够捕获空气并阻挡液滴的事实。

“然而，这种结构也会导致超疏水材料更容易磨损和破裂。”该论文的第一作者、电子科技大学基础与前沿研究所的博士生王德辉说，非磨损也会导致底层材料的暴露和表面局部化学性质的改变，使其从疏水性变为亲水性。

根据以前的科学研究，人们认为材料表面的机械稳定性和超疏水性是两个不能同时获得的特性王德辉说，这是因为微/纳米粗糙结构通过减少材料和水之间的接触面积来增强疏水性，这也导致微/纳米结构承受更高的局部压力，因此更容易磨损。这意味着在过去的超疏水材料中，超疏水性能和机械稳定性将不可避免地导致一侧的性能下降，而另一侧的性能得到改善。

微结构“装甲”的优化设计

新材料一举双赢

为了实现同一材料表面的机械稳定性和超疏水性能的双重叠加，具有弱机械性能的超疏水材料表面必须配有“装甲”。

“一方面，机械稳定性的实现需要在更大的结构规模上进行几何设计；另一方面，为了确保良好的超疏水性，应该在纳米尺度上进行结构优化。”王德辉认为，按照传统思维，很难在同一尺度上实现上述两种表演的兼容性。我们能试着分开吗？本文的通讯作者、电子科技大学基础与前沿研究所的邓旭教授及其团队提出了一个新的实验思路：通过“解耦机制”将超疏水和机械稳定性分成两个不同的结构尺度，分别经过优化设计后组合在一起，使能够提供机械稳定性的微结构能够起到“护甲”的作用，防止超疏水结构被磨损。

“微观结构是达到微米甚至更宏观的水平。这种结构相对耐磨和耐用，并能提供机械稳定性以保护纳米材料免受磨损。受保护的纳米结构主要呈现超疏水性王德辉表示，通过优化设计制备的微结构“装甲”可以很好地保护超疏水纳米材料免受abras的侵害

未来的用途将非常广泛。

记者了解到，研究人员已经将这种新型超疏水材料的表面应用到太阳能电池盖板上。

“自清洁技术可以巧妙地利用雨滴或雾滴来消除灰尘和其他污染，可以长期保持太阳能电池的高效能量转换，并节省传统清洁过程中所需的淡水资源和劳动力成本。”王德辉说。

该团队发现，这种新型超疏水材料还具有耐化学腐蚀和热降解、高速喷射冲击和抗冷凝失效的综合性能。此外，这种新材料还实现了玻璃装甲表面的高透光率，这也将为其在自清洁汽车玻璃、建筑玻璃幕墙等方面的应用创造条件。