据悉，全球顶级科研期刊《Nature》近日刊发了电子科技大学邓旭教授团队和芬兰阿尔托大学RobinH.A.Ras教授的研究成果《Design of robust superhydrophobic Surfaces》（设计坚固的超疏水表面）“，并被选为当期封面。

该研究提出去耦合机制将表面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，为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构铠甲，解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

《Nature》封面

据了解，仿生荷叶的超疏水材料由于其独特的固-液界面性质，在表面自清洁、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，随之又发展出了一系列如超亲水、超疏油等超浸润系统理论。

一般情况下，材料表面实现超疏水性需要借助微/纳米粗糙结构和低表面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，改变表面的局部化学性质使其从疏水性变成亲水性，导致水滴钉扎。长期以来，人们认为表面的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，又能实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 [5]。

当期封面。图片来源：Nature

最近，Nature 正式刊发了电子科技大学邓旭教授团队和芬兰阿尔托大学Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被选为当期封面。该工作提出去耦合机制将表面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，为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”，解决了超疏水表面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、布鲁克纳米表面研究中心Fan-Yen Lin博士、汉能光伏何博博士等。

微结构铠甲的设计。图片来源：Nature

通常，减少固-液接触是增强表面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，从而更易磨损，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将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。结合浸润性理论和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面，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。

铠甲化超疏水表面展现出优秀的机械稳定性。图片来源：Nature

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，还实现了玻璃铠甲化表面的高透光率，为该表面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换，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。

》科学家研制可耐刮擦的新型防水装甲涂层

物体表面的疏水性涂层，有助于保持医疗器械保持无菌状态、帮助飞机机翼除冰、以及维持太阳能电池板的清洁。得益于纳米结构，这些涂层能够让水滴高效滑落，从而避免污垢、病菌或其它污染物的积聚。然而当前普通纳米涂层的一大缺陷，就是耐刮擦性能不佳。好消息是，芬兰阿尔托大学与中国电子科技大学的科学家们，已经研制出了一种特殊的防水装甲。

通常情况下，纳米疏水涂层应用了在基板上凸起的”森林状“结构，但可惜这些结构相当脆弱，会随着时间的推移而很快磨损，导致那部分区域很快失去疏水性。

不过芬兰阿尔托大学和中国电子科技大学的科学家们，已经研制出了一种特殊的涂层装甲，声称是解决这类问题的一个有效方法。其工艺包括先将纳米倒金字塔形状的蜂窝图案网格蚀刻到金属、玻璃或陶瓷等基板上，然后将超疏水性化学涂料涂覆到金字塔的内部。那样当锋利的刀片或砂纸等工具划过装甲表面时，棱锥之间的凸脊可使之不掉入结构的内部，以保护底下的防水涂层。

此外，科学家们还对表面进行了特殊处理，使之能够耐受高压水喷射、极端湿度、在腐蚀性化学药剂中浸泡数小时、以及在100℃（212℉）高温下烘烤数周的时间。即便经过了上述严苛的测试，新型防水装甲涂层仍能够保持在物体表面的超强疏水特性。

据悉，有关这项研究的详情已经发表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原标题为《Design of robust superhydrophobic Surfaces》。

阿尔托大学的Robin Ras教授补充道：”我们用不同大小和形状的材料制成了蜂窝状的涂层装甲，其优势在于各种不同材料的通用性上，让我们得以灵活设计各种耐用的防水表面“。