近年來，超疏水材料已應用于多個領域，包括表面自清潔、油水分離、防腐、減阻等。超疏水材料表面一般由微納粗糙結構和低表面能物質組成，而表面微納結構在應對外界復雜環境時展現出較差的穩定性，這嚴重影響了超疏水表面的實際應用。因此，為實現超疏水表面長效穩定性構筑并滿足實際工業生產需求，穩定超疏水表面的構建成為研究人員日益追求的目標。

受到荷葉表面微納結構的啟發，山東理工大學鞠冠男副教授團隊設計出一種新型的“雙尺度”復合結構，采用犧牲微觀結構保護納米結構的策略，使得超疏水表面更加持久穩定。該團隊選取了價格低廉，性質穩定的礦石石英砂微粒來構建微納結構中的微觀結構，以充當保護納米粒子的“鎧甲”。相關論文以題為Robust superhydrophobic composite fabricated by a dual-sized particle design發表在Composites Science and Technology。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109785

如圖1所示，該團隊通過環氧樹脂粘結劑將礦石顆粒石英砂固定于基底表面，在錯綜復雜的排列過程中，石英砂顆粒之間形成了大量的空隙，這為納米顆粒提供了完美的庇護場所。此時，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和環氧樹脂疏水改性后的納米二氧化硅，通過簡易的浸泡法填充至石英砂形成的空隙中。環氧樹脂的存在使得納米二氧化硅與微觀粒子石英砂結合更加緊密，在經過高溫固化最終形成穩定的超疏水表面。由此構建的微納復合結構中的石英砂會優先承受外界力對超疏水表面的影響，所以疏水二氧化硅顆粒在石英砂的保護下延續了其超疏水性質，使得表面的超疏水性質更加穩定持久。

圖1：穩定超疏水表面的制備過程

線性摩擦實驗是對超疏水表面穩定性表征最基礎以及最直觀的方法，如圖2，2 Kg載荷下樣品（2 cm × 2 cm）在600目的砂紙上反復摩擦，每次摩擦距離為15 cm。在經過200次的線性摩擦后，表面仍然能夠保持142.8°的靜態接觸角。此外，無論是經過刀刮、膠帶剝離、紫外照射、戶外、酸堿鹽等復雜化境的測試，表面仍然能夠保持超疏水的狀態，并且始終具備自清潔性能。

圖2：線性摩擦試驗

此外，石英砂微粒之間形成的空隙，可為不同性能的納米粒子提供了填充場所，實現了多種功能超疏水表面的構建。改團隊將納米粒子更換為TiO2和Fe3O4后仍然可以實現穩定的超疏水性能，并且在Fe3O4納米粒子的存在下，可以實現磁力導航吸油進行油水分離應用。并且環氧樹脂粘結劑的存在使得此策略能適用于多種基底（圖3）。這充分證明了通過犧牲外部微觀石英砂保護內部疏水納米粒子的策略是成功的，這為超疏水表面進一步的實踐應用提供了新的方法思路，使得此策略下構建的穩定超疏水表面有著更大的實踐前景與意義。

圖3：雙尺度策略下粒子與基底的適用性

該研究的第一單位是山東理工大學材料科學與工程學院，碩士研究生蘇成壯為第一作者，材料學院鞠冠男副教授和同濟大學醫學院趙新宇教授為通訊作者。此研究得到了國家自然科學基金和山東省自然科學基金的支持。