鄭泉水、呂存景團隊在極端疏水領域取得重要進展
來源：清力技術 2022-05-23
1997年，荷葉表面自清潔特性的微觀機理得到揭示，受此啟發，人們提出了超疏水這一特殊的固液表面潤濕概念。因超疏水性表面在環境、能源、熱交換、信息等極其廣泛的領域都有重大的潛在應用前景，在過去二十多年間吸引了持續高漲的理論與應用研究。物理上講，當水滴與粗糙固體表面接觸時，主要存在兩種潤濕狀態，即液滴只與粗糙材料頂部接觸的Cassie潤濕狀態，和液滴與粗糙結構內部完全浸潤的Wenzel潤濕狀態。超疏水指的是液滴接觸表面時，表觀接觸角>150°且滾動角<5°的現象，該現象只能發生在Cassie潤濕狀態。
然而，隨著人們在認識超疏水的機理和超疏水材料的制備方面取得了長足的進步，超疏水表面的穩定性或耐久性問題成為了阻礙超疏水表面技術真正走向重要應用的最大挑戰。鄭泉水、呂存景團隊率先把穩定性問題分為三大方面：化學穩定性(如耐酸堿、高溫、紫外線等本征疏水性破壞)、結構穩定性(如耐磨損、損傷等機械破壞和失穩失效)、潤濕狀態的穩定性(如抵御從Cassie到Wenzel潤濕狀態轉換的能力，或即使因外部干擾一時成了Wenzel狀態，也將自發恢復為Cassie狀態的能力)。客觀上，如果穩定性問題得不到解決，超疏水是無法真正走向實際應用的，這就是目前該研究領域的最新狀態。人們亟需加強這方面的理論和實驗，以及可商業化技術的開發。
日前，鄭泉水、呂存景團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發表了題為“微結構疏水表面上多邊形液滴”（Polygonal Non-Wetting Droplets on Microtextured Surfaces）的研究論文，報道了柱狀微結構疏水表面上小液滴在受平板擠壓的狀態下，穩定形成可保持Cassie接觸狀態、同時可控多邊形液膜的新發現，并揭示了該行為的機理；該結果同時也提供了解決在極大干擾力作用下小液滴潤濕狀態穩定性問題的一個全新思路。
圖1：具有不同幾何形貌和排列方式的疏水微結構表面上三角形、四邊形、六邊形液滴圖案。(a)實驗裝置；(b)-(d)水滴；(e)金屬液滴
實驗中，該團隊發現當使用百微米高、尺寸和間距在十微米量級的周期性表面微柱結構時，液滴在受壓后(圖1a)表現出獨特的行為：增加壓力的過程中，液滴始終處于Cassie狀態，并形成特定的圖案化液膜(圖1b-e)；即便壓板接觸到了微結構頂部(圖1a)，液滴也不坍塌成Wenzel狀態，而是始終“懸掛”在微結構頂部（邊緣）。特別有意思的是，隨壓力逐漸釋放，液滴總會自發恢復并最終回到原來的小液滴Cassie潤濕狀態。進一步發現，這種“可逆”行為對水滴(圖1b-d)和金屬液滴(圖1e)均表現出良好的適用性。研究還揭示了受壓過程中固-液-氣三相接觸線移動所要克服的能量勢壘具有各向異性是其產生多邊形的原因(圖2a)；多邊形圖案的邊數主要由微結構的排列方式所決定、其角點所能達到的最大曲率由微結構的間距所控制(圖2b)。實驗表現出了良好的可重復性(圖2c)。此外，利用低溫技術降低液膜溫度，當釋放壓板后，多邊形液膜圖案可以被“固定”下來(圖2d)。
圖2：疏水多邊形液膜的形成機理。(a)固-液-氣接觸線沿不同方向移動的能壘；(b)多邊形液膜角點曲率的調控；(c)潤濕狀態的可逆性；(d)低溫下金屬液膜成型
這項工作的意義在于：有助于加深人們對Cassie潤濕狀態的認識，突破了人們長期以來認為多邊形液膜只能在微結構親水表面穩定形成的觀念；豐富了極端疏水的內容，有助于指導設計更加穩定的超疏水材料、從而推動超疏水真正走向實際應用；為微納米尺度下液滴一次成型開啟了一種有潛力的技術方法；液滴在變形過程中呈現透明度和顏色的變化，為機械致變色器件（如智能窗戶）的制備提供新的思路等。
清華大學航天航空學院微納力學中心的婁晶博士與呂存景副教授分別為論文的第一作者與通訊作者，鄭泉水院士全程對工作給予了指導。其他作者包括清華大學航天航空學院微納力學中心的史松林博士、2019級博士生馬晨和2021級博士生周曉環，北京大學集成電路學院博士后黃東。該研究成果得到了國家自然科學基金重點項目和國家海外高層次人才引進項目等的資助。
供稿：清華大學航天航空學院
編輯：李華山
審核：周襄楠
