超疏水表面在自清潔、抗結冰、油水分離、防腐等方面具有潛在應用價值，因而備受關注。但是超疏水表面遭到機械或化學破壞后，易發生微納米結構坍塌或低表面能物質分解，失去超疏水性能，從而極大縮短了材料的使用壽命。在超疏水材料中引入自修復功能是解決上述問題的有效途徑。現有超疏水材料為了實現自修復功能一般需要較長時間，而且只能恢復因輕微機械或化學刻蝕造成的破壞。如何實現嚴重破壞超疏水材料的快速自修復仍是挑戰。

為了解決這些問題，哈爾濱工業大學潘欽敏教授課題組通過設計連苯三酚改性聚甲基硅氧烷，在Fe3+、導電炭黑、二氧化鈦納米粒子存在下，形成以連苯三酚/鐵配位鍵交聯的超疏水材料。研究發現，該材料表面被等離子體刻蝕50秒后，其接觸角降為0°，但給材料施加10V電壓1分鐘后，其疏水性能即可恢復至154.8°，呈現快速自修復特性。材料經過10次刻蝕/通電后，其表面接觸角仍保持在152°（圖2）。自修復的原因在于通電產生的熱量使低表面能物質從材料內部遷移到表面。

圖1. （a）超疏水材料刻蝕/修復照片，（b）多次刻蝕/通電循環超疏水材料接觸角變化

重要的是，該超疏水材料受到嚴重機械破壞后也可實現快速修復。在此，研究人員用刀片將材料切斷，然后將破壞后的材料對齊、接觸、并施加10 V電壓，1 分鐘后材料即可實現宏觀形貌和微觀結構的修復，從而快速恢復了力學性能和超疏水特性。經過6次切斷/通電后，材料的接觸角仍保持在150度以上（圖2）。研究表明：材料快速自修復的機理在于聚甲基硅氧烷具有低玻璃化轉變溫度，以及連苯三酚/鐵配位鍵具有溫度依賴性。當溫度升高時，連苯三酚/鐵配位鍵的強度下降，有利于提高交聯高分子鏈的活動能力，從而促進破損高分子網絡的自修復。

圖2. （a）超疏水材料切斷及修復照片，（b，c）修復區域的SEM圖，（d） 超疏水材料初始和修復后的應力應變曲線， （e） 多次切割修復后接觸角變化曲線

該材料還具有抗結冰性能。可利用通電方式快速除掉材料表面的冰塊。比如在10V電壓條件下，該材料只需40 秒即可將表面的冰塊融化并除去（圖3）。

圖3. 超疏水材料快速除冰照片

該研究結果為設計快速自修復超疏水材料提供了新思路。論文發表在美國化學會ACS Appl. Mater. Interfaces，第一作者為哈爾濱工業大學化工與化學學院博士生秦利明，通訊作者為潘欽敏教授。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b07563