豐富多彩的大自然為材料領域科學研究提供了源源不斷的靈感。例如，研究者模仿荷葉等植物的疏水葉面結構，實現了各種超疏水涂層或材料表面的構筑。研究表明，材料表面的微納結構和表面材料的低表面能特性是構筑超疏界面的關鍵因素。含氟聚合物材料，如聚四氟乙烯（PTFE）作為典型的低表面能材料被廣泛的應用于不粘鍋涂層、化學反應設備防腐涂層以及高耐候防腐涂層等不同應用領域。近來，如何基于仿生原理賦予PTFE材料微納結構，以進一步提升其疏水性能、拓展其應用范圍成為超疏材料領域研究熱點之一。

近日，臺灣中興大學的薛涵宇（Han-Yu Hsueh）博士等研究者從自然界中具有多功能性植物葉片表面結構汲取靈感，通過將PTFE乳液（顆粒）噴涂在傳統聚合物聚苯乙烯（PS）基底形成多孔粗糙結構，進一步基于PS基底的誘導收縮形成微米尺度的表面褶皺結構，成功構筑水接觸角＞167°、滾動角＜5°的超疏水涂層。該新型超疏水涂層具有優異的機械穩定性，在自清潔、防污、減阻涂層方面具有重要的應用。

植物葉片表面的疏水微納結構。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

寶島臺灣許多濕地植物的葉片表面都呈現強疏水性。SEM表征顯示其葉面分布著微米級的褶皺結構以及亞微米的粗糙結構，由此賦予葉片表面去潤濕特性以抵抗病菌、灰塵等在葉面的附著。基于仿生上述微納復合疏水結構，研究團隊選用商業化的PTFE為低表面能材質（表面能18 mN m^-1），通過將PTFE乳液噴涂在傳統聚合物PS基底表面構筑多孔疏水結構，進而通過熱誘導基底收縮形成褶皺結構，簡便的“copy”了濕地植物葉面形貌。

仿生葉面結構過程示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

PTFE乳液噴涂在PS表面，熱處理前PTFE由TMN-10表面活性劑包覆形成相對光滑表面；在熱處理過程中TMN-10逐漸遷移到底部同時PS收縮60%從而誘發表面多級褶皺形成（1級、2級皺紋周期分別為~20 μm、5 μm），表面PTFE顆粒呈緊密排列分布。熱誘導處理30 min后材料表面水接觸角高達~167°、滾動角~2°，且能夠保持長期疏水穩定性。

熱誘導構筑表面微納復合疏水結構。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

同時，研究者發現PTFE乳液的固含量對最終形成微納結構及其表面疏水性有著重要影響。當PTFE乳液濃度為30 v/v%時，所構筑表面疏水性達到最優，所形成PTFE膜厚約為570 nm。

PTFE濃度對仿生材料表面疏水性的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

該方法構筑的仿生超疏水涂層具有卓越的抗污、耐腐蝕、耐紫外以及耐高溫性能；在苛刻的酸堿（浸泡）、油（浸泡）、UV（254 nm, 3.3 mW cm^-2輻照 24 h）以及從室溫到100℃的寬溫域條件下仍能夠保持初始超疏水性能（水接觸角＞160°）。

仿生涂層卓越的性能穩定性。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在機械穩定性方面，通過對涂層表面施加不同負載（1~4 kg W/cm²）的循環物理磨損測試，其表面仍能保持良好的涂層完整性。4 kg W/cm²高負載磨損使得材料表面粗糙結構遭到部分損耗，但其表面水接觸角仍高達147°、維持強疏水性。

涂層機械穩定性測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

該仿生涂層由PS、PTFE及表面活性劑構成，在低于200℃條件下具有優異的熱穩定性，在低于500℃條件下能夠維持主體樹脂基體的穩定性。該優異的熱穩定性使其在寬溫域應用環境下具有獨特的應用優勢。此外，該仿生涂層的超疏水、超低表面能特性賦予涂層優異的抗污、自清潔性能，能夠有效的抗拒甲基藍等染料的污染。

仿生涂層耐熱性及自清潔性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結

該研究通過仿生植物表面復合粗糙結構，簡便構筑了PTFE基超疏水涂層。該仿生涂層在耐候性、耐腐蝕性、耐高溫性以及耐磨損等方面展現出卓越的性能。相較于傳統的商業化PTFE涂層而言，該研究成果中PTFE基涂層疏水性的顯著提升將極大地拓展PTFE基涂層的應用范圍；同時也為涂料領域其他低表面能含氟樹脂（如ETFE）的大規模開發應用提供了思路。