北航田東亮教授團隊 ACS Nano：超穩定超疏水表面用于表面減壓及液體導流

WaterOff

2022-10-23 13:55:42

表面無損單向液體輸運一直是材料科學的研究熱點，在微反應器、潤滑、噴墨打印、自清潔表面和微流體等領域都受到了廣泛關注。目前研究人員制備了化學成分和結構形態梯度變化的人造各向異性表面，成功地實現了液滴的定向輸運。通常來說，增加表面疏水性，如使用低表面能材料制造疏水表面，可以將空氣困在液滴下方以減少固液接觸面積，即“阻塞”的方法，是表面承受液體壓力的常用策略。而過高的液體壓力容易破壞氣囊，導致表面的高粘性及不穩定性。因此，如何形成穩定的復合界面，從而以一種通用的、可行的方式連續無損地定向收集和輸運液滴，仍然是一個挑戰。

為了解決這個問題，北京航空航天大學田東亮教授團隊認為不能僅通過“阻塞法”使表面承受液體壓力，還需要進一步引導液體進行定向輸運達到“減壓”效果，設計了一種概念上不同的策略（圖1），將水黽腿毛的抗水行為和鯊魚皮膚表面的減阻效果結合起來，通過聚合物的梯度相變，制備一個鱗片狀的超疏水表面。該鱗片結構可以直接承受和緩沖液體壓力，進一步降低表面的液體壓力，防止液滴與基底結構的親密接觸，形成穩定的復合界面，實現無損失液體輸送。這項工作為大規模設計和制造各向異性微納米結構提供了潛力，實現了液滴按需遠程、無損和連續單向輸運的主動控制。該工作以“Ultrastable Superhydrophobic Surface with Ordered Scaly Structure for Decompression and Guiding Liquid Manipulation”為題發表在《ACS Nano》上（doi：10.1021/acsnano.2c06749）。文章第一作者是北京航空航天大學博士后張秋雅博士。該研究得到國家自然科學基金(22272005)的支持。

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圖1 不能僅通過“阻塞法”使表面承受液體壓力，還需要進一步引導液體定向輸運達到“減壓”效果。受此啟發，設計了一種超疏水鱗片表面，可以控制液滴的定向輸運，實現液滴在表面的減壓。

表面鱗片結構可以直接承受和緩沖液體壓力，還可以引導液體進行可控輸運，進一步降低表面的液體壓力，協同防止液滴與基底結構的親密接觸，形成穩定的SAL復合界面，實現無損失液體輸運（圖2，圖3）。此外，音樂誘導超疏水表面垂直振動結合鱗片各向異性結構可以單向驅動液滴輸運，在多步定量化學反應和液體檢測中具有潛在的應用價值（圖4）。這項工作在設計耐用超疏水材料方面具有很大的潛力，并在液滴控制、無損耗液滴傳輸、液體檢測和航空減阻等方面具有廣泛的應用前景。