北航田东亮教授团队 ACS Nano：超稳定超疏水表面用于表面减压及液体导流

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2022-10-23 13:55:42

表面无损单向液体输运一直是材料科学的研究热点，在微反应器、润滑、喷墨打印、自清洁表面和微流体等领域都受到了广泛关注。目前研究人员制备了化学成分和结构形态梯度变化的人造各向异性表面，成功地实现了液滴的定向输运。通常来说，增加表面疏水性，如使用低表面能材料制造疏水表面，可以将空气困在液滴下方以减少固液接触面积，即“阻塞”的方法，是表面承受液体压力的常用策略。而过高的液体压力容易破坏气囊，导致表面的高粘性及不稳定性。因此，如何形成稳定的复合界面，从而以一种通用的、可行的方式连续无损地定向收集和输运液滴，仍然是一个挑战。

为了解决这个问题，北京航空航天大学田东亮教授团队认为不能仅通过“阻塞法”使表面承受液体压力，还需要进一步引导液体进行定向输运达到“减压”效果，设计了一种概念上不同的策略（图1），将水黾腿毛的抗水行为和鲨鱼皮肤表面的减阻效果结合起来，通过聚合物的梯度相变，制备一个鳞片状的超疏水表面。该鳞片结构可以直接承受和缓冲液体压力，进一步降低表面的液体压力，防止液滴与基底结构的亲密接触，形成稳定的复合界面，实现无损失液体输送。这项工作为大规模设计和制造各向异性微纳米结构提供了潜力，实现了液滴按需远程、无损和连续单向输运的主动控制。该工作以“Ultrastable Superhydrophobic Surface with Ordered Scaly Structure for Decompression and Guiding Liquid Manipulation”为题发表在《ACS Nano》上（doi：10.1021/acsnano.2c06749）。文章第一作者是北京航空航天大学博士后张秋雅博士。该研究得到国家自然科学基金(22272005)的支持。

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图1 不能仅通过“阻塞法”使表面承受液体压力，还需要进一步引导液体定向输运达到“减压”效果。受此启发，设计了一种超疏水鳞片表面，可以控制液滴的定向输运，实现液滴在表面的减压。

表面鳞片结构可以直接承受和缓冲液体压力，还可以引导液体进行可控输运，进一步降低表面的液体压力，协同防止液滴与基底结构的亲密接触，形成稳定的SAL复合界面，实现无损失液体输运（图2，图3）。此外，音乐诱导超疏水表面垂直振动结合鳞片各向异性结构可以单向驱动液滴输运，在多步定量化学反应和液体检测中具有潜在的应用价值（图4）。这项工作在设计耐用超疏水材料方面具有很大的潜力，并在液滴控制、无损耗液滴传输、液体检测和航空减阻等方面具有广泛的应用前景。