清華新聞網(wǎng)5月23日電 1997年，荷葉表面自清潔特性的微觀(guān)機(jī)理得到揭示，受此啟發(fā)，人們提出了超疏水這一特殊的固液表面潤(rùn)濕概念。因超疏水性表面在環(huán)境、能源、熱交換、信息等極其廣泛的領(lǐng)域都有重大的潛在應(yīng)用前景，在過(guò)去二十多年間吸引了持續(xù)高漲的理論與應(yīng)用研究。物理上講，當(dāng)水滴與粗糙固體表面接觸時(shí)，主要存在兩種潤(rùn)濕狀態(tài)，即液滴只與粗糙材料頂部接觸的Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)，和液滴與粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)部完全浸潤(rùn)的Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)。超疏水指的是液滴接觸表面時(shí)，表觀(guān)接觸角>150°且滾動(dòng)角<5°的現(xiàn)象，該現(xiàn)象只能發(fā)生在Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)。
然而，隨著人們?cè)谡J(rèn)識(shí)超疏水的機(jī)理和超疏水材料的制備方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，超疏水表面的穩(wěn)定性或耐久性問(wèn)題成為了阻礙超疏水表面技術(shù)真正走向重要應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。清華大學(xué)航天航空學(xué)院微納力學(xué)中心鄭泉水、呂存景團(tuán)隊(duì)率先把穩(wěn)定性問(wèn)題分為三大方面：化學(xué)穩(wěn)定性(如耐酸堿、高溫、紫外線(xiàn)等本征疏水性破壞)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(如耐磨損、損傷等機(jī)械破壞和失穩(wěn)失效)、潤(rùn)濕狀態(tài)的穩(wěn)定性(如抵御從Cassie到Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能力，或即使因外部干擾一時(shí)成了Wenzel狀態(tài)，也將自發(fā)恢復(fù)為Cassie狀態(tài)的能力)。客觀(guān)上，如果穩(wěn)定性問(wèn)題得不到解決，超疏水是無(wú)法真正走向?qū)嶋H應(yīng)用的，這就是目前該研究領(lǐng)域的最新?tīng)顟B(tài)。人們亟需加強(qiáng)這方面的理論和實(shí)驗(yàn)，以及可商業(yè)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
日前，鄭泉水、呂存景團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“微結(jié)構(gòu)疏水表面上多邊形液滴”（Polygonal Non-Wetting Droplets on Microtextured Surfaces）的研究論文，報(bào)道了柱狀微結(jié)構(gòu)疏水表面上小液滴在受平板擠壓的狀態(tài)下，穩(wěn)定形成可保持Cassie接觸狀態(tài)、同時(shí)可控多邊形液膜的新發(fā)現(xiàn)，并揭示了該行為的機(jī)理；該結(jié)果同時(shí)也提供了解決在極大干擾力作用下小液滴潤(rùn)濕狀態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題的一個(gè)全新思路。
圖1：具有不同幾何形貌和排列方式的疏水微結(jié)構(gòu)表面上三角形、四邊形、六邊形液滴圖案。(a)實(shí)驗(yàn)裝置；(b)-(d)水滴；(e)金屬液滴
實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用百微米高、尺寸和間距在十微米量級(jí)的周期性表面微柱結(jié)構(gòu)時(shí)，液滴在受壓后(圖1a)表現(xiàn)出獨(dú)特的行為：增加壓力的過(guò)程中，液滴始終處于Cassie狀態(tài)，并形成特定的圖案化液膜(圖1b-e)；即便壓板接觸到了微結(jié)構(gòu)頂部(圖1a)，液滴也不坍塌成Wenzel狀態(tài)，而是始終“懸掛”在微結(jié)構(gòu)頂部（邊緣）。特別有意思的是，隨壓力逐漸釋放，液滴總會(huì)自發(fā)恢復(fù)并最終回到原來(lái)的小液滴Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種“可逆”行為對(duì)水滴(圖1b-d)和金屬液滴(圖1e)均表現(xiàn)出良好的適用性。研究還揭示了受壓過(guò)程中固-液-氣三相接觸線(xiàn)移動(dòng)所要克服的能量勢(shì)壘具有各向異性是其產(chǎn)生多邊形的原因(圖2a)；多邊形圖案的邊數(shù)主要由微結(jié)構(gòu)的排列方式所決定、其角點(diǎn)所能達(dá)到的最大曲率由微結(jié)構(gòu)的間距所控制(圖2b)。實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出了良好的可重復(fù)性(圖2c)。此外，利用低溫技術(shù)降低液膜溫度，當(dāng)釋放壓板后，多邊形液膜圖案可以被“固定”下來(lái)(圖2d)。
圖2：疏水多邊形液膜的形成機(jī)理。(a)固-液-氣接觸線(xiàn)沿不同方向移動(dòng)的能壘；(b)多邊形液膜角點(diǎn)曲率的調(diào)控；(c)潤(rùn)濕狀態(tài)的可逆性；(d)低溫下金屬液膜成型
這項(xiàng)工作的意義在于：有助于加深人們對(duì)Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，突破了人們長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為多邊形液膜只能在微結(jié)構(gòu)親水表面穩(wěn)定形成的觀(guān)念；豐富了極端疏水的內(nèi)容，有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定的超疏水材料、從而推動(dòng)超疏水真正走向?qū)嶋H應(yīng)用；為微納米尺度下液滴一次成型開(kāi)啟了一種有潛力的技術(shù)方法；液滴在變形過(guò)程中呈現(xiàn)透明度和顏色的變化，為機(jī)械致變色器件（如智能窗戶(hù)）的制備提供新的思路等。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院微納力學(xué)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(duì)工作給予了指導(dǎo)。其他作者包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院微納力學(xué)中心的史松林博士、2019級(jí)博士生馬晨和2021級(jí)博士生周曉環(huán)，北京大學(xué)集成電路學(xué)院博士后黃東。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30399-0
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：周襄楠
