跳蟲(chóng)是一類(lèi)小型土壤棲息的節(jié)肢動(dòng)物，它們通過(guò)皮膚進(jìn)行呼吸作用。如果水或者其他液體很容易粘附在其表面，則可能導(dǎo)致它們的死亡。因此，它們的角質(zhì)層為了避免液體的完全潤(rùn)濕，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化，最終形成的特有幾何形狀和層級(jí)結(jié)構(gòu)賦予了它們對(duì)于液體的靜態(tài)排斥性和動(dòng)態(tài)抗壓性，從而了保持角質(zhì)層的干燥，避免了窒息而亡的危險(xiǎn)。

盡管可以通過(guò)在微尺度上設(shè)計(jì)精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控表面的靜態(tài)超疏性，但是現(xiàn)有的微尺度修飾的超疏表面，其靜態(tài)排斥性和動(dòng)態(tài)抗壓性之間存在不可避免的矛盾。如何制備像跳蟲(chóng)角質(zhì)層一樣具有靜態(tài)排斥性和動(dòng)態(tài)抗壓性的多層級(jí)超疏表面仍是一大挑戰(zhàn)。

  近期，韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院化學(xué)與生物分子工程系的Hee-Tae Jung教授課題組報(bào)道了首例類(lèi)跳蟲(chóng)角質(zhì)層的超疏水表面。表面褶皺結(jié)構(gòu)的引入解決了靜態(tài)排斥性和動(dòng)態(tài)抗壓性之間的矛盾。這類(lèi)仿生表面在顯示出對(duì)于水，乙醇等液體的高度排斥性（其接觸角均 >150°）的同時(shí)，還能夠承受We > 200的水滴和乙二醇液滴的極端壓力，以及We = 53的乙醇液滴的影響（We是一種無(wú)量綱的壓力衡量標(biāo)準(zhǔn)），展現(xiàn)出之前從未有過(guò)的高耐壓性。

  研究者通過(guò)模仿跳蟲(chóng)角質(zhì)層的精細(xì)結(jié)構(gòu)，首先利用納米壓印和二次濺射光刻（SSL）技術(shù)，制備分布“T”形納米結(jié)構(gòu)的微尺度褶皺表面。再利用高溫進(jìn)行聚苯乙烯的形變處理，形成程度可控的表面褶皺，最后利用化學(xué)氣相沉積（iCVD）方法在上述制得的表面上涂覆約40nm的聚（十七氟癸基甲基丙烯酸酯）（PHFDMA），成功獲得“T”形納米結(jié)構(gòu)分布的褶皺雙層結(jié)構(gòu)仿生表面，并通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）確認(rèn)其形貌。

為了確認(rèn)“T”形納米結(jié)構(gòu)和褶皺對(duì)于該類(lèi)仿生表面超疏性能的影響，研究人員還制備了“圓盤(pán)”形和“懸垂”形的表面樣品以及褶皺程度不同的表面樣品。靜態(tài)接觸角和和動(dòng)態(tài)液滴實(shí)驗(yàn)表明，在不同結(jié)構(gòu)的樣品中，由于“T”形納米結(jié)構(gòu)的高度起皺表面能有效降低與液體接觸的面積，使得其表現(xiàn)出最優(yōu)的超疏性。

圖文速讀

圖1仿生表面的設(shè)計(jì)靈感。

（A）跳蟲(chóng)角質(zhì)層表面的水滴照片以及初級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)的SEM圖像；（B）制造“T”形納米結(jié)構(gòu)的步驟圖；（C）在獲得納米結(jié)構(gòu)后，通過(guò)熱致收縮制造微尺度褶皺。

圖2 在微尺度起皺基底上，“T”形納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

（A）頂部SEM圖，插圖為高分辨納米結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)圖；（B）斷面SEM圖，紅色框中的插圖顯示了“T”形結(jié)構(gòu)的放大圖，藍(lán)色框中的插圖顯示該“T”形結(jié)構(gòu)的頂部。

圖3 納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制和相應(yīng)的靜態(tài)接觸角。

（A）具有不同種類(lèi)納米結(jié)構(gòu)的表面圖；（B）乙醇在不同納米結(jié)構(gòu)表面上的靜態(tài)接觸角；（C）不同測(cè)試液體（水，乙二醇和乙醇）在“T”形納米結(jié)構(gòu)表面上的靜態(tài)接觸角。

圖4 仿生表面的動(dòng)態(tài)抗液壓性。

（A）具有不同納米結(jié)構(gòu)、相同褶皺程度的表面示意圖，各自的最大擴(kuò)展半徑與We壓力的關(guān)系曲線；（B）當(dāng)We壓力約為110時(shí)，不同納米結(jié)構(gòu)的表面與水滴碰撞的照片；（C）具有相同納米結(jié)構(gòu)、不同褶皺程度的表面示意圖，各自的最大擴(kuò)展半徑與We壓力的關(guān)系曲線；（D）當(dāng)We壓力約為110時(shí)，不同褶皺程度的表面與水滴碰撞的照片；（E）當(dāng)We壓力約為220時(shí)，各種類(lèi)型表面的最大擴(kuò)展半徑與接觸時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖5  對(duì)于低表面張力液體，仿生表面的液滴反彈實(shí)驗(yàn)。

  在不同We壓力下，乙二醇在（A）平面和（B）高度起皺的“T”形納米結(jié)構(gòu)表面上的液滴反彈行為；（C）在不同We壓力下，乙醇在不同褶皺程度的“T”形納米結(jié)構(gòu)表面上的反彈行為；（D）當(dāng)We壓力約為53時(shí)，乙醇液滴與不同褶皺程度的“T”形納米結(jié)構(gòu)表面相互作用的照片。

原文鏈接： 

http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4978

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