電子科大64年來首提Nature封面，鄧旭團(tuán)隊(duì)為超疏水表面披上「鎧甲」

白交 2020-06-10 13:05:21 來源：量子位

白交 發(fā)自 凹非寺
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荷葉為何能「出淤泥而不染」？鴨子怎么能浮在水面上？水黽（mǐn）是怎么實(shí)現(xiàn)「水上漂」的？

自然界中實(shí)現(xiàn)這些，都有一個(gè)科學(xué)奧秘——超疏水表面。

聽起來比較拗口！

但就拿出淤泥而不染的荷葉來說，表面上都是水珠，卻從沒有鋪滿浸潤過。

這背后是荷葉表面——不親水，與水疏離，被稱之為該表面具有「疏水性」。

實(shí)際用途也很廣。你看「荷葉」、「鳥的羽毛」就知道了。

干燥、自清潔、避免生物污染。

日常中的眼鏡去霧功能，就是因?yàn)檠坨R表面附著了一層「超疏水材料涂層」。

但是這種材料耐用性不強(qiáng)，易受磨損——或許有心人早已發(fā)現(xiàn)，你的眼鏡沒過多久就沒辦法去霧了。

然而，現(xiàn)在這個(gè)問題，被中國的研究團(tuán)隊(duì)一舉解決，來自電子科技大學(xué)鄧旭、王德輝團(tuán)隊(duì)的研究成果，還由此登上了最新Nature封面。

值得一提的是，這還是電子科技大學(xué)首次以「第一單位」的身份登頂Nature封面。

所以這究竟是一項(xiàng)怎樣的研究？

疏水性與耐用性不能共生？

剛才所說，去霧化眼鏡過不了多久就失效了，這就是材料疏水性和耐用性的共生痛點(diǎn)。

這也是此次電子科大團(tuán)隊(duì)的研究背景和出發(fā)點(diǎn)。

為什么疏水性跟耐用性不能共生？

首先，需要了解一個(gè)概念——接觸角。

通常來講，固-液接觸，主要有三個(gè)表面，固-液表面、液-氣表面、氣-固表面。

而接觸角則是固-液表面與氣-液表面之間的夾角。

當(dāng)接觸角大于90度時(shí)，說明固液表面不潤濕，也就是疏水性，相反則是親水性。

接觸角越大，就說明疏水性越強(qiáng)。

實(shí)際生活中，人們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)材料表面的疏水性，常用手段就是減少固-液接觸。

但這樣，只有固體表面只有一小部分面積與液體接觸，那么粗糙的表面就會承受較高的機(jī)械負(fù)載的局部壓力，從而導(dǎo)致它們碎而且極易磨損。

而且由于極易磨損，甚至還可能改變他們的表面性質(zhì)，比如從疏水性變成親水性。

于是，人們通常就假定它的表面的機(jī)械穩(wěn)定性與疏水性是「相互排斥」表面性質(zhì)。

就好像是「魚和熊掌，不可兼得」。

這樣也就給超疏水材料的應(yīng)用帶來了很多的局限，也是面對實(shí)際應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵難題。

基于這個(gè)問題出發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)就是設(shè)計(jì)了這么一個(gè)超疏水表面，可以讓兩種性質(zhì)「和諧共生」。

那是怎么做到的呢？

怎么設(shè)計(jì)的？

這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)主要在兩個(gè)方面：

• 設(shè)計(jì)了一個(gè)可相互連接的表面框架微觀結(jié)構(gòu)，充當(dāng)「鎧甲」。其中包含「口袋」，裝有高度疏水但機(jī)械脆弱的納米結(jié)構(gòu)。
• 將這種結(jié)構(gòu)用于各種基材，包括硅、陶瓷、金屬和透明玻璃，結(jié)果表明，即使在被砂紙和鋒利的鋼刀片磨耗后，所得超疏水表面的疏水性仍然得以保持。

其中最主要的核心就在于微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

采用的是「去耦合機(jī)制」。

通俗點(diǎn)來說，分工合作，干活不累。

將表面浸潤性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分成兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過在兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度上分別進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。

你不耐用沒關(guān)系，負(fù)責(zé)疏水性就好了，我來負(fù)責(zé)給你在外面給你加固。

△圖1：微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)的模型上看，納米結(jié)構(gòu)在受到磨損時(shí)，磨損物體可能插入納米結(jié)構(gòu)之間，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損傷，而加入了微結(jié)構(gòu)以后，這樣的磨損也就有所減少。

△圖2：微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性

微觀結(jié)構(gòu)是一組「倒金字塔空腔」微觀陣列組成（如圖2a，2b）。采用微壓痕法跟柱形、金字塔形比較，倒金字塔形的硅基片表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能（如圖2c）。

還將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了陶瓷、金屬以及玻璃上，都產(chǎn)生了類似的結(jié)果。

△磨損后的疏水性

接著就對設(shè)計(jì)的超疏水表面進(jìn)行疏水性以及機(jī)械穩(wěn)定性的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)性質(zhì)能夠很好的「共生」。

△超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性

實(shí)際測試

之后，他們還進(jìn)行了實(shí)際的測試。

經(jīng)過刀片、螺絲刀、砂紙、鋼絲球的「摧殘」都表現(xiàn)出了超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性。

以玻璃為例，這樣看可能更直觀。

不僅能夠經(jīng)過刀片的磨損，磨損之后，還能表現(xiàn)出良好的疏水性。

還有它的「自清潔除塵」功能。

△霧氣在粉塵污染的平面硅片（b）和設(shè)計(jì)的「鎧甲」硅片的凝結(jié)情況（c）

特此注明：灰塵來自成都。

與此同時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還具有高透光率，可以為太陽能電池創(chuàng)建堅(jiān)固、透明的自清潔面漆，從而節(jié)省了水資源、人力以及成本，為少雨地區(qū)提供了自清潔太陽能電池的解決方案。

團(tuán)隊(duì)介紹

本次研究是來自電子科技大學(xué)「膠體與界面中心」鄧旭教授的課題組。

中心主要從事材料表面、物理化學(xué)、仿生材料等相關(guān)研究。

去年11月，鄧旭教授曾獲中國化學(xué)會頒發(fā)的「菁青化學(xué)新銳獎」。

而本次論文的「第一作者」——王德輝博士。

本科就讀于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，隨后在陜西師范大學(xué)攻讀材料科學(xué)的碩士學(xué)位。

2016年來到了電子科技大學(xué)的鄧旭課題組攻讀博士。

而當(dāng)時(shí)他們或許難以預(yù)料，4年后，喜提Nature封面，還是電子科技大學(xué)的里程碑時(shí)刻。

所以，無論科研還是工作，夢想和追求還是要有的，萬一努力之后就實(shí)現(xiàn)了呢！

論文鏈接：https://www.nature.com/nature/volumes/582/issues/7810

鄧旭課題組：http://www.ccsi.uestc.edu.cn/