超疏水表面在自清潔、抗結(jié)冰、油水分離、防腐等方面具有潛在應(yīng)用價值，因而備受關(guān)注。但是超疏水表面遭到機械或化學(xué)破壞后，易發(fā)生微納米結(jié)構(gòu)坍塌或低表面能物質(zhì)分解，失去超疏水性能，從而極大縮短了材料的使用壽命。在超疏水材料中引入自修復(fù)功能是解決上述問題的有效途徑。現(xiàn)有超疏水材料為了實現(xiàn)自修復(fù)功能一般需要較長時間，而且只能恢復(fù)因輕微機械或化學(xué)刻蝕造成的破壞。如何實現(xiàn)嚴重破壞超疏水材料的快速自修復(fù)仍是挑戰(zhàn)。

為了解決這些問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘欽敏教授課題組通過設(shè)計連苯三酚改性聚甲基硅氧烷，在Fe3+、導(dǎo)電炭黑、二氧化鈦納米粒子存在下，形成以連苯三酚/鐵配位鍵交聯(lián)的超疏水材料。研究發(fā)現(xiàn)，該材料表面被等離子體刻蝕50秒后，其接觸角降為0°，但給材料施加10V電壓1分鐘后，其疏水性能即可恢復(fù)至154.8°，呈現(xiàn)快速自修復(fù)特性。材料經(jīng)過10次刻蝕/通電后，其表面接觸角仍保持在152°（圖2）。自修復(fù)的原因在于通電產(chǎn)生的熱量使低表面能物質(zhì)從材料內(nèi)部遷移到表面。

圖1. （a）超疏水材料刻蝕/修復(fù)照片，（b）多次刻蝕/通電循環(huán)超疏水材料接觸角變化

重要的是，該超疏水材料受到嚴重機械破壞后也可實現(xiàn)快速修復(fù)。在此，研究人員用刀片將材料切斷，然后將破壞后的材料對齊、接觸、并施加10 V電壓，1 分鐘后材料即可實現(xiàn)宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)的修復(fù)，從而快速恢復(fù)了力學(xué)性能和超疏水特性。經(jīng)過6次切斷/通電后，材料的接觸角仍保持在150度以上（圖2）。研究表明：材料快速自修復(fù)的機理在于聚甲基硅氧烷具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以及連苯三酚/鐵配位鍵具有溫度依賴性。當溫度升高時，連苯三酚/鐵配位鍵的強度下降，有利于提高交聯(lián)高分子鏈的活動能力，從而促進破損高分子網(wǎng)絡(luò)的自修復(fù)。

圖2. （a）超疏水材料切斷及修復(fù)照片，（b，c）修復(fù)區(qū)域的SEM圖，（d） 超疏水材料初始和修復(fù)后的應(yīng)力應(yīng)變曲線， （e） 多次切割修復(fù)后接觸角變化曲線

該材料還具有抗結(jié)冰性能。可利用通電方式快速除掉材料表面的冰塊。比如在10V電壓條件下，該材料只需40 秒即可將表面的冰塊融化并除去（圖3）。

圖3. 超疏水材料快速除冰照片

該研究結(jié)果為設(shè)計快速自修復(fù)超疏水材料提供了新思路。論文發(fā)表在美國化學(xué)會ACS Appl. Mater. Interfaces，第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院博士生秦利明，通訊作者為潘欽敏教授。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b07563