新型斥液表面性能再次升級

陳曦

盡管堅(jiān)固耐久型斥液表面的應(yīng)用前景很美好，但將其大規(guī)模推廣前，還需解決一些問題。解決耐久性評價(jià)方法的合理選擇與統(tǒng)一化問題、優(yōu)化提高耐久性的策略、開發(fā)優(yōu)秀的斥液表面加工方法，對推動(dòng)堅(jiān)固耐久型斥液表面的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

荷葉“出淤泥而不染”；豬籠草將接觸它的昆蟲“滑”進(jìn)籠內(nèi)；彈尾蟲能夠漂浮在水或油表面；魚類在水中時(shí)油類無法黏附在其身體表面……這些動(dòng)植物之所以擁有“超能力”，是因?yàn)榫哂谐庖罕砻妗?/p>

斥液表面在防水、自清潔、抗結(jié)冰、防腐蝕、流體操控、生物醫(yī)學(xué)等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，受到了仿生制造、微流控等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)斥液表面的耐久性較差，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中容易被破壞而失去斥液性，大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。

科研人員針對斥液表面的耐久性這一問題開展了大量研究工作，并取得了多項(xiàng)突破性成果。近日，天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院講師陳發(fā)澤在國際期刊《化學(xué)學(xué)會(huì)評論》上發(fā)表綜述，總結(jié)了近年來堅(jiān)固耐久型斥液表面的研究現(xiàn)狀，并被遴選為當(dāng)期封面論文。

荷葉具有優(yōu)異的自清潔性能，是因?yàn)槠浔砻婢哂谐杷裕卧诤扇~表面呈球狀，容易滾落并帶走附著的塵土；豬籠草的瓶狀捕蟲籠內(nèi)壁是典型的液體灌注超滑表面；彈尾蟲能夠在潮濕環(huán)境中生存，得益于其表皮的超疏油性；魚類因?yàn)轸~鱗表面牢牢吸附水層，使油類無法和表面直接接觸，進(jìn)而表現(xiàn)出水下超疏油性……雖然表現(xiàn)各異，但具有超疏水性、超疏油性等性能的表面都屬于斥液表面。

“斥液表面指難以被液體潤濕且液滴在其上容易滾落或滑落的表面，主要包括超疏水表面、超疏油表面和液體灌注的超滑表面等。”陳發(fā)澤說。

近年來，研究人員受這些生物的啟發(fā)，對斥液表面進(jìn)行了廣泛深入的研究，極大地豐富了斥液表面在仿生制造、微納加工、表面工程、界面化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。

“斥液表面的微納粗糙結(jié)構(gòu)和特殊化學(xué)成分，使其具有斥液性?！标惏l(fā)澤解釋，空氣中的超疏水和超疏油表面具有微納米尺度的粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能的化學(xué)成分等特點(diǎn)。該類表面和測試液體接觸時(shí)會(huì)在固-液之間形成空氣層（也被稱為空氣墊），阻礙液體滲入粗糙結(jié)構(gòu)，且液-氣接觸面積遠(yuǎn)大于固-液接觸面積，使液體無法潤濕該類表面，故表現(xiàn)出超疏水性或超疏油性。對于水下超疏油表面和液體灌注的超滑表面而言，其微納粗糙結(jié)構(gòu)能將水或灌注的潤滑液體牢牢鎖住，在其表面形成穩(wěn)定的液體層。在與液體層不互溶的測試液體與這種表面接觸時(shí)，該液體層能有效阻礙表面和測試液體之間的直接接觸，使其具有水下超疏油性或超滑特性。

因此，加工斥液表面的關(guān)鍵在于構(gòu)建合適的微納粗糙結(jié)構(gòu)，調(diào)配合適的特殊化學(xué)成分，以保證該類表面和測試液體接觸時(shí)，兩者之間存在空氣層或不互溶液體層。

正是得益于優(yōu)異的斥液性和極小的固-液接觸面積，斥液表面在防水、自清潔、流體減阻、抗結(jié)冰、防腐蝕、流體操控、油水分離、抗生物淤積、強(qiáng)化傳熱、高靈敏度化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測、流體能量轉(zhuǎn)換發(fā)電等場景中具有較大的應(yīng)用前景。

雖然近年來有關(guān)斥液表面的研究取得了較大進(jìn)展，但大多數(shù)斥液表面強(qiáng)度較低、耐久性差，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中容易被破壞而失去斥液性。堅(jiān)固耐久性缺失大大限制了斥液表面的大規(guī)模推廣和工業(yè)化應(yīng)用。

陳發(fā)澤表示，以防水雨傘為例，仿荷葉超疏水表面已被應(yīng)用于防水雨傘的制作，但高速雨滴撞擊、折疊彎曲、摩擦等實(shí)際應(yīng)用中較易遇到的場景均可能讓超疏水表面失效，影響了防水雨傘的性能與耐用性，導(dǎo)致該類防水雨傘難以大規(guī)模普及。以海工裝備為例，超疏水表面或超滑表面能使船體減小阻力、防生物淤積，但上述表面浸泡在海水中易被腐蝕和滲透，斥液性無法長久維持，因而較難在海工裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，提高斥液表面的耐久性，解決一系列限制斥液表面應(yīng)用的問題，對推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。

“斥液表面的耐久性主要包括熱力學(xué)耐久性、機(jī)械耐久性和化學(xué)耐久性三個(gè)方面。”陳發(fā)澤表示。熱力學(xué)耐久性指斥液表面的空氣層或液體層在擴(kuò)散、蒸發(fā)、冷凝等熱力學(xué)過程中的穩(wěn)定性，一般可以通過增加水擊壓力、浸泡、蒸汽冷凝、液滴蒸發(fā)、重力引流等方法來評價(jià)；機(jī)械耐久性指斥液表面在外力作用下維持其潤濕性的能力，一般可以通過切向磨損、動(dòng)態(tài)撞擊、膠帶剝離、基體變形等方法來測試；化學(xué)耐久性指斥液表面在各種化學(xué)因素作用下的穩(wěn)定性，一般可以通過酸堿鹽腐蝕、紫外光照射、活性粒子處理、有機(jī)溶劑浸泡、高低溫處理等方法來測試。

近年來，研究人員基于材料表面結(jié)構(gòu)和成分的調(diào)控，提出了提高斥液表面耐久性的四大類策略。

第一類是通過優(yōu)化基體材料或表面化學(xué)成分，選擇耐久性好的基體材料或表面修飾劑，進(jìn)而有效改善斥液表面的機(jī)械耐久性和化學(xué)耐久性。

第二類是設(shè)計(jì)特殊的微納結(jié)構(gòu)。如優(yōu)化微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸參數(shù)，以提高微結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，改善斥液表面的機(jī)械耐久性；設(shè)計(jì)凹角結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)，以提高斥液表面空氣層或液體層的穩(wěn)定性，提高其熱力學(xué)穩(wěn)定性；通過自相似微納結(jié)構(gòu)，使斥液表面在發(fā)生機(jī)械磨損或化學(xué)腐蝕后暴露出和原表面相似的粗糙結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而維持其斥液性；在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中，讓機(jī)械強(qiáng)度相對較高的微米結(jié)構(gòu)起到類似“鎧甲”的作用，保護(hù)脆弱的納米結(jié)構(gòu)，從而改善斥液表面的機(jī)械耐久性。

第三類是通過膠層輔助等方法，增強(qiáng)斥液涂層和基底之間的連接強(qiáng)度，從而顯著提高該類斥液表面的機(jī)械耐久性和化學(xué)耐久性。

第四類是制備具有自愈性的斥液表面，使斥液表面在失去斥液性后可自行恢復(fù)，避免斥液表面的永久失效。

隨著堅(jiān)固耐久型斥液表面相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我們有望利用動(dòng)植物的“超能力”，將斥液表面應(yīng)用于日常生活、機(jī)械、能源、化工、生物、材料等領(lǐng)域。例如防水自清潔織物和建筑物，減阻耐腐蝕水下航行器和流體運(yùn)輸管道，抗結(jié)冰易除冰飛機(jī)機(jī)翼，自清潔太陽能電池蓋板，高靈敏度陣列傳感器等。

“盡管堅(jiān)固耐久型斥液表面的前景很美好，但將其大規(guī)模推廣前，還需解決一些問題。”陳發(fā)澤認(rèn)為。

首先，要解決堅(jiān)固耐久型斥液表面的耐久性評價(jià)方法的合理選擇與統(tǒng)一化這一問題。該問題的解決將對推動(dòng)堅(jiān)固耐久型斥液表面領(lǐng)域的規(guī)范化發(fā)展起到重要作用?！皥?jiān)固耐久型斥液表面耐久性的評價(jià)方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景作出合理選擇。例如，超疏水建筑物房頂應(yīng)首先考慮其在雨滴沖擊、酸雨腐蝕、紫外光照射等方面的耐久性?！标惏l(fā)澤解釋道。

其次，要優(yōu)化提高堅(jiān)固耐久型斥液表面耐久性的策略。現(xiàn)有策略對這類表面耐久性的改善有限，并且大多只針對熱力學(xué)耐久性、機(jī)械耐久性或化學(xué)耐久性這三個(gè)方面中的單一方面。如果能巧妙地優(yōu)化現(xiàn)有方法，發(fā)揮現(xiàn)有策略的協(xié)同作用，將有望進(jìn)一步提高斥液表面耐久性，推動(dòng)堅(jiān)固耐久型斥液表面的實(shí)際應(yīng)用。

最后，要開發(fā)出堅(jiān)固耐久型斥液表面低成本、綠色、大面積的優(yōu)秀加工方法。目前的大量堅(jiān)固耐久型斥液表面的加工方法大多存在流程復(fù)雜、成本高、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。這些問題限制了堅(jiān)固耐久型斥液表面的大面積加工和實(shí)際應(yīng)用。

“開發(fā)出簡單、低成本、綠色、可規(guī)模化生產(chǎn)的斥液表面加工方法，對推動(dòng)堅(jiān)固耐久型斥液表面的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義?！标惏l(fā)澤表示。