該工作提出去耦合機(jī)制將表面浸潤性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過在兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度上分別進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)鎧甲，解決了超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問題。該工作第一作者為我校基礎(chǔ)與前沿研究院博士生王德輝，基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授為論文通訊作者，論文工作主要在電子科技大學(xué)完成。這是電子科技大學(xué)首次以第一單位在Nature上發(fā)表研究成果，標(biāo)志著電子科技大學(xué)在材料表面科學(xué)研究域取得了重大突破。合作者還有電子科技大學(xué)物理學(xué)院陳龍泉教授和機(jī)械與電氣工程學(xué)院朱順鵬教授。 仿生荷葉的超疏水材料由于其獨(dú)特的固-液界面性質(zhì)，在表面自清潔、生物防污、防水抗結(jié)冰、流體減阻以及傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，隨之又發(fā)展出了一系列如超親水、超疏油等超浸潤系統(tǒng)理論。以江雷院士團(tuán)隊(duì)，David Quéré教授團(tuán)隊(duì)等為代表的國內(nèi)外廣大研究群體在固液界面材料研究領(lǐng)域建立了堅(jiān)實(shí)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，并取得了豐碩的研究成果[1-4]。 一般情況下，材料表面實(shí)現(xiàn)超疏水性需要借助微/納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能截留空氣并托起液滴，實(shí)現(xiàn)Cassie-Baxter態(tài)的同時(shí)創(chuàng)造低的固-液接觸。然而，微/納米粗糙結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷下會(huì)產(chǎn)生極高的局部壓強(qiáng)，使其易碎易磨損。此外，磨損會(huì)暴露底層材料，改變表面的局部化學(xué)性質(zhì)使其從疏水性變成親水性，導(dǎo)致水滴釘扎。長期以來，人們認(rèn)為表面的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水性是相互排斥的兩個(gè)特性，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(shí)，又能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，是當(dāng)前超疏水材料面對(duì)實(shí)際應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵難題[5]。
微結(jié)構(gòu)鎧甲的設(shè)計(jì)（圖片來源Nature）
通常，減少固-液接觸是增強(qiáng)表面超疏水性的常用手段，根據(jù)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(dòng)角。但由于接觸面積的降低，必然導(dǎo)致微/納結(jié)構(gòu)承受更高的局部壓強(qiáng)，從而更易磨損，這就意味著超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性在提高一種性能時(shí)必然導(dǎo)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(jī)制將超疏水性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，并提出微結(jié)構(gòu)“鎧甲”保護(hù)超疏水納米材料免遭摩擦磨損的概念。結(jié)合浸潤性理論和機(jī)械力學(xué)原理分析得出微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，利用光刻、冷/熱壓等微細(xì)加工技術(shù)將裝甲結(jié)構(gòu)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(fù)合構(gòu)建出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的鎧甲化超疏水表面。鎧甲化超疏水表面展現(xiàn)出優(yōu)秀的機(jī)械穩(wěn)定性（圖片來源Nature） 該工作在集成高強(qiáng)度機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)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(shí)，還實(shí)現(xiàn)了玻璃鎧甲化表面的高透光率，為該表面應(yīng)用于自清潔車用玻璃、太陽能電池蓋板、建筑玻璃幕墻創(chuàng)造了必要條件。研究人員將該表面應(yīng)用于太陽能電池蓋板，實(shí)現(xiàn)了表面依靠冷凝液滴清除塵埃顆粒的自清潔方式，為少雨地區(qū)提供自清潔太陽能電池的解決方案。基于玻璃裝甲化表面的自清潔技術(shù)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(zhuǎn)換，并節(jié)省傳統(tǒng)清潔過程中必需的淡水資源和勞動(dòng)力成本。該論文創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和通用的制造策略展示了鎧甲化超疏表面非凡的應(yīng)用潛力，必將進(jìn)一步推動(dòng)超疏水表面進(jìn)入廣泛的實(shí)際應(yīng)用。高透光率的玻璃鎧甲化超疏水表面應(yīng)用于自清潔太陽能電池板（圖片來源Nature）
參考文獻(xiàn)：
1.Lin Feng, Shuhong Li, Yingshun Li, Huanjun Li, Lingjuan Zhang, Jin Zhai,Yanlin Song, Biqian Liu, Lei Jiang, DaobenZhu.Super‐hydrophobic surfaces: from naturalto artificial.Advanced Materials, 14, 1857-1860 (2002)
2.YongmeiZheng, HaoBai, Zhongbing Huang, XuelinTian, Fu-QiangNie, YongZhao, Jin Zhai, Lei Jiang.Directional water collection on wetted spidersilk.Nature, 463, 640-643 (2010)
3.David Quéré. Wettingand roughness.Annual Review of Materials Research, 38, 71-99 (2008)
4.Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui,Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng.Surfacecharge printing for programmed droplet transport. Nature Materials, 18, 936-941(2019)
5.XuelinTian, TuukkaVerho, Robin HA Ras. Moving superhydrophobic surfacestoward real-world applications.Science, 352, 142-143(2011)
鄧旭，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院教授，材料表面科學(xué)研究中心、德國馬普學(xué)會(huì)伙伴小組聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，主要研究領(lǐng)域?yàn)椴牧媳砻婵茖W(xué)、物理化學(xué)、仿生工程等。已在Science, Nature, Nature Materials, NatureCommunications, Physical Review Letter, AngewandteChemie International Edition,Advanced Materials等國際著名期刊上發(fā)表文章60余篇，并被Nature，Nature Nanotechnology，Nature Physics，MIT Technology Review等國際知名學(xué)術(shù)媒體多次專題報(bào)道。作為主要發(fā)明人獲得歐洲發(fā)明專利3項(xiàng)，美國發(fā)明專利2項(xiàng)，中國發(fā)明專利5項(xiàng)。榮獲國家青年人才、四川省學(xué)科技術(shù)帶頭人（2019）、國際仿生學(xué)會(huì)青年委員（2019）、中國化學(xué)會(huì)仿生材料化學(xué)委員會(huì)委員（2019）、中國十大科技新銳人物（2019），中國化學(xué)會(huì)首屆菁青化學(xué)新銳獎(jiǎng)（2019）。 王德輝，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院2016級(jí)博士研究生，以第一作者或合作者在Nature, Nature Materials, Advanced Materials, Soft Matter等國際著名雜志發(fā)表文章10余篇，被引260余次。其中，以第一作者發(fā)表在Nature的研究論文被選為封面報(bào)道。申請(qǐng)國家發(fā)明專利10余件，授權(quán)7件。 http://www.ccsi.uestc.edu.cn/ Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin,Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou,Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng. Design of robustsuperhydrophobic surfaces.Nature, 582, 55-59 (2020) 論文DOI：10.1038/s41586-020-2331-8 文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2331-8
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