據悉，全球頂級科研期刊《Nature》近日刊發了電子科技大學鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學RobinH.A.Ras教授的研究成果《Design of robust superhydrophobic Surfaces》（設計堅固的超疏水表面）“，并被選為當期封面。

該研究提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度，通過在兩個結構尺度上分別進行最優設計，為超疏水表面創造出具有優良機械穩定性的微結構鎧甲，解決了超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。

《Nature》封面

據了解，仿生荷葉的超疏水材料由于其獨特的固-液界面性質，在表面自清潔、生物防污、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出了巨大的應用潛力，隨之又發展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統理論。

一般情況下，材料表面實現超疏水性需要借助微/納米粗糙結構和低表面能截留空氣并托起液滴，實現Cassie-Baxter態的同時創造低的固-液接觸。然而，微/納米粗糙結構在機械載荷下會產生極高的局部壓強，使其易碎易磨損。此外，磨損會暴露底層材料，改變表面的局部化學性質使其從疏水性變成親水性，導致水滴釘扎。長期以來，人們認為表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個性能，正所謂“魚和熊掌，不可兼得”。因此，如何保證在擁有良好超疏水性能的同時，又能實現較強的機械穩定性，是當前超疏水材料面對實際應用亟待解決的關鍵難題 [5]。

當期封面。圖片來源：Nature

最近，Nature 正式刊發了電子科技大學鄧旭教授團隊和芬蘭阿爾托大學Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被選為當期封面。該工作提出去耦合機制將表面浸潤性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度，通過在兩個結構尺度上分別進行最優設計，為超疏水表面創造出具有優良機械穩定性的微結構“鎧甲”，解決了超疏水表面機械穩定性不足的關鍵問題。該工作第一作者為電子科技大學基礎與前沿研究院博士生王德輝，這是電子科技大學首次以第一單位在Nature 上發表研究成果，標志著電子科技大學在材料表面科學研究域取得了重大突破。合作者還包括：芬蘭阿爾托大學Quan Zhou教授、電子科技大學陳龍泉教授和朱順鵬教授、北京理工大學周天豐教授、香港城市大學王鉆開教授、布魯克納米表面研究中心Fan-Yen Lin博士、漢能光伏何博博士等。

微結構鎧甲的設計。圖片來源：Nature

通常，減少固-液接觸是增強表面超疏水性的常用手段，根據Cassie-Baxter方程，固-液接觸面積的減小，有利于提高表觀接觸角和降低滾動角。但由于接觸面積的降低，必然導致微/納結構承受更高的局部壓強，從而更易磨損，這就意味著超疏水性和機械穩定性在提高一種性能時必然導致另一種性能下降。該論文基于全新思路，首次通過去耦合機制將超疏水性和機械穩定性拆分至兩種不同的結構尺度，并提出微結構“鎧甲”保護超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結合浸潤性理論和機械力學原理分析得出微結構設計原則，利用光刻、冷/熱壓等微細加工技術將裝甲結構制備于硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，與超疏水納米材料復合構建出具有優良機械穩定性的鎧甲化超疏水表面。

鎧甲化超疏水表面展現出優秀的機械穩定性。圖片來源：Nature

該工作在集成高強度機械穩定性、耐化學腐蝕和熱降解、抗高速射流沖擊和抗冷凝失效等綜合性能的同時，還實現了玻璃鎧甲化表面的高透光率，為該表面應用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創造了必要條件。研究人員將該表面應用于太陽能電池蓋板，實現了依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式，為少雨地區提供了自清潔太陽能電池面板的解決方案?；诓Ａаb甲化表面的自清潔技術可巧妙地利用雨或霧滴消除粉塵、鳥類糞便等污染，長期維持太陽能電池高效的能量轉換，并節省傳統清潔過程中必需的淡水資源和勞動力成本。該論文創新的設計思路和通用的制造策略展示了鎧甲化超疏表面非凡的應用潛力，必將進一步推動超疏水表面進入廣泛的實際應用。

》科學家研制可耐刮擦的新型防水裝甲涂層

物體表面的疏水性涂層，有助于保持醫療器械保持無菌狀態、幫助飛機機翼除冰、以及維持太陽能電池板的清潔。得益于納米結構，這些涂層能夠讓水滴高效滑落，從而避免污垢、病菌或其它污染物的積聚。然而當前普通納米涂層的一大缺陷，就是耐刮擦性能不佳。好消息是，芬蘭阿爾托大學與中國電子科技大學的科學家們，已經研制出了一種特殊的防水裝甲。

通常情況下，納米疏水涂層應用了在基板上凸起的”森林狀“結構，但可惜這些結構相當脆弱，會隨著時間的推移而很快磨損，導致那部分區域很快失去疏水性。

不過芬蘭阿爾托大學和中國電子科技大學的科學家們，已經研制出了一種特殊的涂層裝甲，聲稱是解決這類問題的一個有效方法。其工藝包括先將納米倒金字塔形狀的蜂窩圖案網格蝕刻到金屬、玻璃或陶瓷等基板上，然后將超疏水性化學涂料涂覆到金字塔的內部。那樣當鋒利的刀片或砂紙等工具劃過裝甲表面時，棱錐之間的凸脊可使之不掉入結構的內部，以保護底下的防水涂層。

此外，科學家們還對表面進行了特殊處理，使之能夠耐受高壓水噴射、極端濕度、在腐蝕性化學藥劑中浸泡數小時、以及在100℃（212℉）高溫下烘烤數周的時間。即便經過了上述嚴苛的測試，新型防水裝甲涂層仍能夠保持在物體表面的超強疏水特性。

據悉，有關這項研究的詳情已經發表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原標題為《Design of robust superhydrophobic Surfaces》。

阿爾托大學的Robin Ras教授補充道：”我們用不同大小和形狀的材料制成了蜂窩狀的涂層裝甲，其優勢在于各種不同材料的通用性上，讓我們得以靈活設計各種耐用的防水表面“。