本文节选改编自《科学通报》“悦读科学”文章，由电子科技大学基础与前沿研究院王德辉、于凡斐、邓旭等撰写，介绍他们发表于Nature的研究成果。
超疏水表面在生物技术、生物医学、传热传质等领域展现出巨大的应用前景[1~5]。一般情况下，实现超疏水性需要结合低表面能和微/纳米粗糙结构截留空气并托起液滴。然而，在外部机械载荷下，表面结构会产生很高的局部压强，使其极度脆弱，易被磨损。此外，磨损导致本体材料暴露，表面由疏水变为亲水，引起超疏水性失效[6]。长期以来，人们认为表面的机械稳定性和超疏水性是两个相互排斥的性质，正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”。
针对上述问题，我们在表面构造两种不同尺度的结构来实现其机械性能的提升，其中纳米结构提供排斥液体的功能，而微结构则用于保证表面的机械稳定性。微结构由类似于“口袋”的倒多棱锥为结构单元组成阵列，构成一个相互连接的框架，发挥“铠甲”作用，从而避免“口袋”内超疏水但机械性能较差的纳米结构遭受磨损。
微结构铠甲的设计。(a) 保护性微结构“铠甲”增强机械稳定性；(b, c) 离散和连续微结构表面的摩擦磨损示意图；
我们将这一策略应用到硅、陶瓷、金属和透明玻璃等各类基底，即使在砂纸和不锈钢刀片磨损后，表面仍能维持优异的超疏水性。结果还表明, 拥有超强机械稳定性且高透光率的自清洁玻璃有助于解决因灰尘污染引起太阳能电池效率下降的问题。我们的设计策略对于在恶劣环境中需保持高效的自清洁、生物防污或强化传热传质等性能的材料开发意义重大, 该研究成果发表于Nature[7].
不同于常规方法，我们的微结构由一个结构连续的框架构成，可以更好地阻止所有尺寸大于微结构单元的物体破坏内部的纳米材料。另外, 基于对跳虫皮肤纹理和蜂房结构的理解, 连续结构的机械稳定性在很大程度上要优于随机或离散结构。
通过理论建模与分析，我们得到了设计微结构铠甲的3条原则：
保持较低的固-液接触面积分数f；
保证低的固-液接触分数变化量Δfmicro；
侧壁角度α≈120°；
为了系统地评估磨损对于铠甲化表面超疏水性能的影响，我们设计了一系列具有不同微结构尺寸和面积分数的超疏水表面，并系统地测量了磨损前后表面的静态接触角θ*和滚动角θroll-off。我们还使用液滴黏附力扫描显微镜(SDAM)测量了具有不同面积分数表面在磨损前后的固-液黏附力。各种实验结果表明，只要合理控制铠甲结构的面积分数，就能很好地调控摩擦磨损对表面浸润性的影响，有效降低或避免因表面化学性质被改变引起的超疏水性失效。
此外，我们还制备了倒三棱锥和倒六棱锥结构，并证明连续且具有较大侧壁角度的微结构框架可以作为普适性的策略，来实现表面机械稳定性的提升。
在实际应用中，表面的耐磨性考验不可避免。因此，我们测试了铠甲化超疏水表面的长效机械耐久性，并与普通超疏水表面进行了对比。结果表明，在各种极端恶劣条件下，我们的铠甲化表面仍然能够保持优异的超疏水性能。
综上所述, 通过引入“铠甲”概念来提高超疏水表面机械稳定性的策略切实可行，使机械稳定性、超疏水性和高透光率得到了有效平衡。采用这一策略，我们还为太阳能电池构筑了一种耐磨且高透光率的自清洁表面。该论文创新的设计思路和通用的制造策略展示了铠甲化超疏水表面非凡的应用潜力，必将进一步推动超疏水表面进入广泛的实际应用。
1 Feng L, Li S H, Li Y S, et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv Mater, 2002, 14: 18571860
2 Zheng Y M, Bai H, Huang Z B, et al. Directional water collection on wetted spider silk. Nature, 2010, 463: 640643
3 Quéré D. Wetting and roughness. Annu Rev Mater Res, 2008, 38: 7199
4 Sun Q Q, Wang D H, Li Y N, et al. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nat Mater, 2019, 18: 936941
5 Xu W H, Zheng H X, Liu Y, et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature, 2020, 578: 392396
6 Tian X L, Verho T, Ras R H A, et al. Moving superhydrophobic surfaces toward real-world applications. Science, 2011, 352: 142143
7 Wang D H, Sun Q Q, Hokkanen M J, et al. Design of robust superhydrophobic surfaces. Nature, 2020, 582: 5559
论文信息（阅读原文直达）
为超疏水表面“披上”铠甲. 王德辉, 于凡斐, 邓旭. 科学通报, https://doi.org/10.1360/TB-2020-0922
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