电子科大64年来首提Nature封面，邓旭团队为超疏水表面披上「铠甲」
为什么有些生物能够浮在水面上？
白交 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
荷叶为何能「出淤泥而不染」？鸭子怎么能浮在水面上？水黾（mǐn）是怎么实现「水上漂」的？
自然界中实现这些，都有一个科学奥秘——超疏水表面。
听起来比较拗口！
但就拿出淤泥而不染的荷叶来说，表面上都是水珠，却从没有铺满浸润过。
这背后是荷叶表面——不亲水，与水疏离，被称之为该表面具有「疏水性」。
实际用途也很广。你看「荷叶」、「鸟的羽毛」就知道了。
干燥、自清洁、避免生物污染。
日常中的眼镜去雾功能，就是因为眼镜表面附着了一层「超疏水材料涂层」。
但是这种材料耐用性不强，易受磨损——或许有心人早已发现，你的眼镜没过多久就没办法去雾了。
然而，现在这个问题，被中国的研究团队一举解决，来自电子科技大学邓旭、王德辉团队的研究成果，还由此登上了最新Nature封面。
值得一提的是，这还是电子科技大学首次以「第一单位」的身份登顶Nature封面。
所以这究竟是一项怎样的研究？
疏水性与耐用性不能共生？
刚才所说，去雾化眼镜过不了多久就失效了，这就是材料疏水性和耐用性的共生痛点。
这也是此次电子科大团队的研究背景和出发点。
为什么疏水性跟耐用性不能共生？
首先，需要了解一个概念——接触角。
通常来讲，固-液接触，主要有三个表面，固-液表面、液-气表面、气-固表面。
而接触角则是固-液表面与气-液表面之间的夹角。
当接触角大于90度时，说明固液表面不润湿，也就是疏水性，相反则是亲水性。
接触角越大，就说明疏水性越强。
实际生活中，人们为了增强材料表面的疏水性，常用手段就是减少固-液接触。
但这样，只有固体表面只有一小部分面积与液体接触，那么粗糙的表面就会承受较高的机械负载的局部压力，从而导致它们碎而且极易磨损。
而且由于极易磨损，甚至还可能改变他们的表面性质，比如从疏水性变成亲水性。
于是，人们通常就假定它的表面的机械稳定性与疏水性是「相互排斥」表面性质。
就好像是「鱼和熊掌，不可兼得」。
这样也就给超疏水材料的应用带来了很多的局限，也是面对实际应用亟待解决的关键难题。
基于这个问题出发，研究团队就是设计了这么一个超疏水表面，可以让两种性质「和谐共生」。
那是怎么做到的呢？
怎么设计的？
这项研究的亮点主要在两个方面：
- 设计了一个可相互连接的表面框架微观结构，充当「铠甲」。其中包含「口袋」，装有高度疏水但机械脆弱的纳米结构。
- 将这种结构用于各种基材，包括硅、陶瓷、金属和透明玻璃，结果表明，即使在被砂纸和锋利的钢刀片磨耗后，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观结构的设计。
采用的是「去耦合机制」。
通俗点来说，分工合作，干活不累。
将表面浸润性和机械稳定性拆分成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。
你不耐用没关系，负责疏水性就好了，我来负责给你在外面给你加固。
△图1：微观结构设计
从设计的模型上看，纳米结构在受到磨损时，磨损物体可能插入纳米结构之间，从而对结构产生一定的损伤，而加入了微结构以后，这样的磨损也就有所减少。
△图2：微观结构的机械稳定性
微观结构是一组「倒金字塔空腔」微观阵列组成（如图2a，2b）。采用微压痕法跟柱形、金字塔形比较，倒金字塔形的硅基片表现出了良好的力学性能（如图2c）。
还将这种结构应用到了陶瓷、金属以及玻璃上，都产生了类似的结果。
△磨损后的疏水性
接着就对设计的超疏水表面进行疏水性以及机械稳定性的验证，发现两个性质能够很好的「共生」。
△超疏水表面的机械稳定性
实际测试
之后，他们还进行了实际的测试。
经过刀片、螺丝刀、砂纸、钢丝球的「摧残」都表现出了超疏水性和机械稳定性。
以玻璃为例，这样看可能更直观。
不仅能够经过刀片的磨损，磨损之后，还能表现出良好的疏水性。
还有它的「自清洁除尘」功能。
△雾气在粉尘污染的平面硅片（b）和设计的「铠甲」硅片的凝结情况（c）
特此注明：灰尘来自成都。
与此同时，这个设计结构还具有高透光率，可以为太阳能电池创建坚固、透明的自清洁面漆，从而节省了水资源、人力以及成本，为少雨地区提供了自清洁太阳能电池的解决方案。
团队介绍
本次研究是来自电子科技大学「胶体与界面中心」邓旭教授的课题组。
中心主要从事材料表面、物理化学、仿生材料等相关研究。
去年11月，邓旭教授曾获中国化学会颁发的「菁青化学新锐奖」。
而本次论文的「第一作者」——王德辉博士。
本科就读于四川农业大学应用化学专业，随后在陕西师范大学攻读材料科学的硕士学位。
2016年来到了电子科技大学的邓旭课题组攻读博士。
而当时他们或许难以预料，4年后，喜提Nature封面，还是电子科技大学的里程碑时刻。
所以，无论科研还是工作，梦想和追求还是要有的，万一努力之后就实现了呢！
论文链接：https://www.nature.com/nature/volumes/582/issues/7810
邓旭课题组：http://www.ccsi.uestc.edu.cn/
- “清华AI医院”上线！首批42位AI医生亮相，诊断覆盖300余种疾病2024-11-21
- 打破纪录！中国科学家让薛定谔的猫活了23分钟2024-11-17
- 特斯联首款通用智能体发布，实现对物理世界的高维感知2024-11-20
- 多个中国团队斩获EMNLP’24最佳论文！UCLA华人学者中三篇杰出论文，明年顶会落户苏州2024-11-15
相关阅读
