超疏水表面的稳定性或耐久性问题一直是阻碍超疏水表面技术真正走向重要应用的最大挑战。客观而言，如果超疏水表面的稳定性问题得不到解决，超疏水就无法真正走向实际应用，这就是该研究领域现在所处的最新状态。

 

在需求端，人们亟需加强这方面的理论和实验，以及可商业化技术的开发。

 

为了突破超疏水领域的难解，清华大学航天航空徐学院微纳粒中心吕存景副教授团队开发出一种将非润湿性和液态金属液滴，塑造成从三角形、正方形、矩形到六边形的各种多边形的有效方法。结果表明，不同方向的能量势垒解释了接触线的运动和多边形形状的形成。

 

5月13日，相关论文以《微结构疏水表面上多边形液滴》“Polygonal Non-Wetting Droplets on Microtextured Surfaces”为题发表于国际顶尖期刊Nature Communications。

 

图 | Polygonal Non-Wetting Droplets on Microtextured Surfaces（来源：Nature Communications）

 

由清华大学航天航空学院微纳力学中心娄晶博士担任第一作者，清华大学航天航空学院微纳力学中心吕存景副教授担任共同通讯作者[1]。值得关注的是，中国科学院院士、清华大学教授郑泉水全程对工作给予了指导。

 

图 | 郑泉水院士（来源：清华大学官网）

 

吕存景副教授及其研究团队通过表征液蒸半月板的曲率，揭示了液滴的形态与其体积、厚度和接触角相关，在低粘附力的主动调控下开发的基于液体图案化策略对于低成本的微制造技术、DNA微阵列和数字芯片实验室来说有较大的发展前景。

 

 

1 疏水表面上的小液滴可保持Cassie接触状态

 

提及超疏水，其相关的历史可以追溯至上世纪九十年代。1997年，荷叶表面自清洁特性的微观机理得到揭示，受此启发，人们提出了超疏水这一特殊的固液表面润湿概念。

 

由于超疏水性表面在环境、能源、热交换、信息等极其广泛的领域都有重大的潜在应用前景，在过去二十多年间，吸引了许多科学家对此持续高涨的理论与应用研究。

 

从物理学层面来讲，当水滴与粗糙固体表面接触时，会产生两种润湿状态，即液滴只与粗糙材料顶部接触的Cassie润湿状态，和液滴与粗糙结构内部完全浸润的Wenzel润湿状态。超疏水指的是液滴接触表面时，表观接触角>150°且滚动角<5°的现象，该现象只能发生在Cassie润湿状态。

 

图 | 圆柱柱表面上液滴图案的演变（来源：Nature Communications）

 

然而，随着人们在认识超疏水的机理和超疏水材料的制备方面取得了长足的进步，超疏水表面的稳定性或耐久性成了阻碍超疏水表面技术应用的一大难题。

 

于是，清华大学航天航空学院微纳力学中心郑泉水、吕存景团队率先把超疏水表面的稳定性问题分为三大方面：

 

一是化学稳定性(如耐酸碱、高温、紫外线等本征疏水性破坏)；

 

二是结构稳定性(如耐磨损、损伤等机械破坏和失稳失效)；

 

三是润湿状态的稳定性(如抵御从Cassie到Wenzel润湿状态转换的能力，或即使因外部干扰一时成了Wenzel状态，也将自发恢复为Cassie状态的能力)。

 

该研究成果提出，柱状微结构疏水表面上小液滴在受平板挤压的状态下，稳定形成可保持Cassie接触状态、同时可控多边形液膜的新发现，并揭示了该行为的机理，该结果同时也提供了解决在极大干扰力作用下小液滴润湿状态稳定性问题的一个全新思路。

 

 

2 柱状微结构疏水表面液滴的“可逆”行为

 

该团队还发现，在实验过程中，在使用百微米高、尺寸和间距在十微米量级的周期性表面微柱结构时，液滴在受压后表现出独特的行为，即随着压力的增大，液滴始终处于Cassie状态，并形成特定的图案化液膜。

 

即便压板接触到了微结构顶部，液滴也不坍塌成Wenzel状态，而是始终“悬挂”在微结构顶部（边缘）。特别有意思的是，随压力逐渐释放，液滴总会自发恢复并最终回到原来的小液滴Cassie润湿状态。

 

图 | 具有不同几何形貌和排列方式的疏水微结构表面液滴图案（来源：Nature Communications）

 

该团队进一步研究发现，这种“可逆”行为对水滴和金属液滴均表现出良好的适用性。研究还揭示了受压过程中固-液-气三相接触线移动所要克服的能量势垒具有各向异性是其产生多边形的原因；多边形图案的边数主要由微结构的排列方式所决定、其角点所能达到的最大曲率由微结构的间距所控制。

 

图 | 疏水多边形液膜的形成机理（来源：Nature Communications）

 

该团队所做实验，表现出了良好的可重复性。此外，利用低温技术降低液膜温度，当释放压板后，多边形液膜图案可以被“固定”下来。

 

郑泉水、吕存景、娄晶等研究者的研究成果，有助于加深人们对Cassie润湿状态的认识，且突破了人们长期以来认为多边形液膜只能在微结构亲水表面稳定形成的观念，更重要的是丰富了极端疏水的内容，有助于指导设计更加稳定的超疏水材料、从而推动超疏水真正走向实际应用。

 

不仅如此，该团队还为微纳米尺度下液滴一次成型开启了一种有潜力的技术方法；液滴在变形过程中呈现透明度和颜色的变化，为机械致变色器件（如智能窗户）的制备提供新的思路，对微结构疏水表面上多边形液滴科研工作具有重要的意义。

 

1.Jing Lou,etal., Nature Communications 13 (2022) 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30399-0

 

免责声明：本公众号发布内容部分信息来源网络，本平台不对文章信息或资料真实性、有效性、准确性及完整性承担责任。文章仅供阅读参考，不作任何投资建议，如有侵权请联系删除。