不沾水的超疏水材料是什么

[原标题]超疏水材料披上“铠甲”，疏水耐磨兼得。

为什么水蜘蛛可以在水上行走？荷叶为什么“出淤泥而不染”？为什么蝴蝶的翅膀不会湿？其实这些都和动植物“身体”表面的超疏水性有关。

受上述自然现象的启发，人们逐渐掌握了材料疏水性的秘密——它对水有极好的拒水性，水滴在其表面保持球形，因此容易滚动，水滴滚动过程中可以带走材料表面的灰尘，从而达到清洁的效果。

然而，过去人们制备的超疏水材料表面结构非常脆弱，难以实现广泛应用。如何在不影响超疏水材料疏水性能的前提下，为其表面镀上一层坚固的“铠甲”，成为该领域的研究方向。

据电子科技大学记者了解，日前，《自然》杂志以封面文章的形式发表了该校基础与前沿研究所邓旭教授团队的最新科研成果。这篇题为“设计一种牢固的超疏水表面”的文章提出，可以通过在超疏水表面上“穿上”具有优异机械稳定性的微结构“盔甲”来解决超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

超疏水性与机械稳定性

鱼和熊掌很难选择。

近年来，源于动植物仿生学的超疏水材料在表面自清洁、生物防污、防水防冰、流体减阻、传热传质等领域显示出巨大的应用潜力。由于它们独特的物理性质。

众所周知，超疏水材料的超疏水表面可以归因于其微/纳米粗糙结构可以捕集空气体并托起液滴。

"然而，这种结构也将导致超疏水材料更容易磨损和断裂."论文第一作者、电子科技大学基础与前沿研究院博士生王德辉表示，耐磨性不足还会导致底层材料暴露，表面局部化学性质发生变化，使其由疏水变为亲水。

“根据以往的科学研究，人们认为材料表面的机械稳定性和超疏水性是两个不可兼得的特性。”王德辉认为，这是因为微/纳米粗糙结构通过减少材料与水的接触面积来增强疏水性，这也会导致微/纳米结构承受更高的局部压力，从而更容易磨损。这意味着，在过去的超疏水材料中，超疏水性能和机械稳定性在一种性能提高的同时，必然导致另一种性能的下降。

优化“盔甲”的微观结构

新材料一举制胜。

实现同一材料表面机械稳定性和超疏水性能的双重叠加，需要在机械性能较弱的超疏水材料表面加装“铠甲”。

“一方面，实现机械稳定性需要在更大的结构尺度上进行几何设计；另一方面，要保证良好的超疏水性，需要在纳米尺度上优化结构。”王德辉说，按照常规思维，很难在同一尺度上实现上述两种性能的兼容。你能试着分开吗？论文作者、电子科技大学基础与前沿研究院邓旭教授及其团队提出了一个新的实验思路:即通过“解耦机制”将超疏水和机械稳定性划分为两个不同的结构尺度，然后分别进行优化设计，再组合在一起，使能提供机械稳定性的微结构起到“盔甲”的作用，防止超疏水结构被磨损。

“微结构就是要达到微米甚至更大的宏观尺度水平。这种结构更加耐磨耐用，可以提供机械稳定性保护纳米材料免受磨损；受保护的纳米结构主要具有超疏水性。”王德辉说，通过优化设计制备的微结构“盔甲”可以保护超疏水纳米材料免受磨损，从而构建“盔甲”超疏水表面。

在实验过程中，团队将润湿性理论与机械力学原理相结合，获得了微结构的设计原理。同时，在硅片、陶瓷、金属、玻璃等通用衬底表面制备了装甲结构。通过光刻和冷/热压等微加工技术，将其与超疏水纳米材料复合，构建出具有优异机械稳定性的“装甲”超疏水表面。

用于自清洁太阳能电池。

未来用途会非常广泛。

记者了解到，目前，研究人员已经将这种新型超疏水材料表面应用到太阳能电池盖板上。

“自清洁技术可以巧妙地利用雨水或雾滴消除灰尘和其他污染，可以长时间保持太阳能电池的高效能量转换，节省传统清洁过程中必需的淡水资源和人力成本。”王德辉说。

该团队发现，这种新型超疏水材料具有抗化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能。此外，新材料还实现了玻璃装甲表面的高透光率，这也将为其在自清洁汽车玻璃和建筑玻璃幕墙中的应用创造条件。