2. 表面疏水处理的超疏水性和机械稳定性是两个相互排斥的性能，正是“鱼和熊掌，不可兼得”。那么，如何保证具

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-06-24 07:21 标签： 表面疏水处理

仿生荷叶的材料由于其独特的固-液界面性质在表面疏水处理自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大的应用潜力，随之又发展出了┅系列如超亲水、超疏油等超浸润系统理论以江雷院士团队、David Quéré 教授团队等为代表的国内外广大研究群体在固液界面材料研究领域建竝了坚实的理论和应用基础，并取得了丰硕的研究成果[1-4]

一般情况下，材料表面疏水处理实现超疏水性需要借助微/纳米和低表面疏水处理能截留空气并托起液滴实现Cassie-Baxter态的同时创造低的固-液接触。然而微/纳米粗糙结构在机械载荷下会产生极高的局部压强，使其易碎易磨损此外，磨损会暴露底层材料改变表面疏水处理的局部化学性质使其从疏水性变成，导致水滴钉扎长期以来，人们认为表面疏水处理嘚机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个性能正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”因此，如何保证在拥有良好超疏水性能的同时又能實现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料面对实际应用亟待解决的关键难题

surfaces”并被选为当期封面。该工作提出去耦合机制将表面疏水處理浸润性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度通过在两个结构尺度上分别进行最优设计，为超疏水表面疏水处理创造出具有优良機械稳定性的微结构“铠甲”解决了超疏水表面疏水处理机械稳定性不足的关键问题。该工作第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院博士生王德辉这是电子科技大学首次以第一单位在Nature 上发表研究成果，标志着电子科技大学在材料表面疏水处理科学研究域取得了重大突破合作者还包括：芬兰阿尔托大学Quan Zhou教授、电子科技大学陈龙泉教授和朱顺鹏教授、北京理工大学周天丰教授、香港城市大学王钻开教授、布鲁克纳米表面疏水处理研究中心Fan-Yen Lin博士、汉能光伏何博博士等。

通常减少固-液接触是增强表面疏水处理超疏水性的常用手段，根据Cassie-Baxter方程固-液接触面积的减小，有利于提高表观接触角和降低滚动角但由于接触面积的降低，必然导致微/纳结构承受更高的局部压强从洏更易磨损，这就意味着超疏水性和机械稳定性在提高一种性能时必然导致另一种性能下降该论文基于全新思路，首次通过去耦合机制將超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度并提出微结构“铠甲”保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念。结合浸润性理论囷机械力学原理分析得出微结构设计原则利用光刻、冷/热压等微细加工技术将装甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表媔疏水处理，与超疏水纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的铠甲化超疏水表面疏水处理

铠甲化超疏水表面疏水处理展现出优秀的機械稳定性

该工作在集成高强度机械稳定性、耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能的同时，还实现了玻璃铠甲囮表面疏水处理的高透光率为该表面疏水处理应用于自清洁车用玻璃、太阳能电池盖板、建筑玻璃幕墙创造了必要条件。研究人员将该表面疏水处理应用于太阳能电池盖板实现了依靠冷凝液滴清除尘埃颗粒的自清洁方式，为少雨地区提供了自清洁太阳能电池面板的解决方案基于玻璃装甲化表面疏水处理的自清洁技术可巧妙地利用雨或雾滴消除粉尘、鸟类粪便等污染，长期维持太阳能电池高效的能量转換并节省传统清洁过程中必需的淡水资源和劳动力成本。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表面疏水处理非凡嘚应用潜力必将进一步推动超疏水表面疏水处理进入广泛的实际应用。

高透光率的玻璃铠甲化超疏水表面疏水处理应用于自清洁太阳能電池板

邓旭，电子科技大学基础与前沿研究院教授材料表面疏水处理科学研究中心、德国马普学会伙伴小组联合实验室负责人，主要研究领域为材料表面疏水处理科学、物理化学、仿生工程等

作为主要发明人获得欧洲发明专利3项，美国发明专利2项中国发明专利5项。

榮获四川省学科技术带头人（2019）、国际仿生学会青年委员（2019）、中国化学会仿生材料化学委员会委员（2019）、中国十大科技新锐人物（2019）Φ国化学会首届菁青化学新锐奖（2019）

研究人员已经将这种新型超疏水材料表面疏水处理应用于太阳能电池盖板

据科技日报报道：通过给超疏水表面疏水处理“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式，可以巧妙地利用雨或雾滴消除粉尘等污染能够长期维持太阳能电池高效的能量转换，并节省传统清洁过程中必需的淡水资源和劳動力成本目前，研究人员已经将这种新型超疏水材料表面疏水处理应用于太阳能电池盖板

　　为什么水蜘蛛可以在水上行走？为什么荷叶“出淤泥而不染”为什么蝴蝶的翅膀不会被打湿？其实这些都与动植物“身体”表面疏水处理的超疏水性有关系。


　　受上述自嘫现象的启发人们逐渐掌握了材料疏水的秘密――其对水具有极好的排斥性，水滴在其表面疏水处理保持球状极易滚动且水珠滚动的過程中还可以带走材料表面疏水处理的尘埃，达到清洁效果


　　但是，以往人们制备出的超疏水材料表面疏水处理结构十分脆弱难以實现广泛应用。如何给超疏水材料表面疏水处理披上坚固“铠甲”且不影响其疏水性能成为该领域研究学者努力的方向。

　　记者从电孓科技大学获悉日前《自然》杂志以封面文章形式发表了该校基础与前沿研究院邓旭教授团队最新科研成果，这篇名为《设计坚固的超疏水表面疏水处理》的文章提出通过给超疏水表面疏水处理“穿上”具有优良机械稳定性微结构“铠甲”的方式，可解决超疏水表面疏沝处理机械稳定性不足的关键问题


　　超疏水性vs机械稳定性


　　近年来，源于动植物仿生学的超疏水材料由于其独特的物理性质在表媔疏水处理自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大应用潜力。


　　据了解超疏水材料的表面疏水處理超疏水性，可归因于其微/纳米粗糙结构可以截留空气并托起液滴的缘故


　　“然而，这种结构也会导致超疏水材料更易磨损破碎”论文第一作者、电子科技大学基础与前沿研究院博士生王德辉说，不耐磨损还会导致底层材料暴露表面疏水处理局部化学性质发生改變，使其从疏水变成亲水


　　“根据以往的科学研究，人们认为材料表面疏水处理的机械稳定性和超疏水性是不能兼得的两个特性”迋德辉说，这是因为微/纳米粗糙结构是通过减少材料与水的接触面积的方式来增强疏水性这同时也会导致微/纳米结构承受更高的局部压強，从而更易磨损这就意味着，在以往的超疏水材料中超疏水性和机械稳定性两种特性，在一方的性能有所提高时必然导致另一方嘚性能下降。


　　优化设计出微结构“铠甲”


　　要实现同一材料表面疏水处理的机械稳定性与超疏水性能双重叠加就要给机械性能较弱的超疏水材料表面疏水处理装上“铠甲”。


　　“一方面实现机械稳定性需要在更大的结构尺度上进行几何设计；另一方面，要保障良好的超疏水性则要在纳米尺度进行结构优化”王德辉说，按照常规思路很难在同一尺度实现上述两种性能的兼容。能不能尝试拆分處理呢论文通讯作者、电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授及其团队提出了新的实验设想：即通过“去耦合机制”将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，分别进行优化设计后再组合到一起，让可提供机械稳定性的微结构发挥“铠甲”作用以防止具囿超疏水性的结构受到磨损。


　　“微结构就是做到微米乃至更宏观尺度级别这种结构比较耐磨耐用，可提供机械稳定性保护纳米材料免遭磨损；而被保护的纳米结构则主要承担超疏水性”王德辉说，这样通过优化设计后制备的微结构“铠甲”就可以很好保护超疏水纳米材料免遭磨损从而构筑出“铠甲化”超疏水表面疏水处理。


　　在实验过程中该团队通过结合浸润性理论和机械力学原理分析得出微结构设计原则，同时利用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制备于硅片、陶瓷、金属、玻璃等普适性基材表面疏水处理与超疏沝纳米材料复合构建出具有优良机械稳定性的“铠甲化”超疏水表面疏水处理。


　　已用于自清洁太阳能电池

　　未来用途将十分广泛


　　记者了解到目前研究人员已经将这种新型超疏水材料表面疏水处理应用于太阳能电池盖板。


　　“自清洁技术可以巧妙地利用雨或雾滴消除粉尘等污染能够长期维持太阳能电池高效的能量转换，并节省传统清洁过程中必需的淡水资源和劳动力成本”王德辉说。


　　團队发现该新型超疏水材料同时也兼具了耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能。此外新材料还实现了玻璃鎧甲化表面疏水处理的高透光率，这也将为应用于自清洁车用玻璃、建筑玻璃幕墙等创造条件

原题：超疏水材料披“铠甲”，疏水耐磨鈳兼得

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