新焦點(diǎn)丨新型材料技術(shù)極大提升表面超疏水性能--富勒烯

大多數(shù)先前報(bào)道的疏水表面是通過(guò)設(shè)計(jì)微觀表面形貌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，涉及復(fù)雜的光刻或蝕刻工藝，但并不是所有的材料表面均可實(shí)施上述工藝。而且，先前報(bào)道的疏水表面一般在水中浸沒(méi)數(shù)分鐘后其疏水性能就會(huì)喪失。但是，UCF的這種富勒體薄膜，無(wú)論水流方向如何變化，甚至在水流持續(xù)沖刷的情況下，都能表現(xiàn)出極強(qiáng)的疏水性能。據(jù)介紹，將一滴由上述富勒體形成的凝膠滴在任何材料表面上，均可以觸發(fā)其表面的超疏水性能。

圖1 富勒烯超疏水表面：a) 富勒烯超疏水薄膜上的毫米級(jí)水珠；b) 靜態(tài)水中的超疏水性能；c) 水流持續(xù)沖刷下的超疏水性能

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超薄自修復(fù)涂層實(shí)現(xiàn)耐久超疏水性能

2021年9月Nature Communications雜志刊登了美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校在超薄自修復(fù)超疏水涂層的最新研究成果。這種超疏水涂層厚度小于100nm，具備自修復(fù)功能，可以承受劃痕、撞擊等損傷破壞，可解決傳統(tǒng)超疏水涂層耐久性差的問(wèn)題。

目前已有的超疏水表面大多機(jī)械強(qiáng)度不高或化學(xué)穩(wěn)定性較差，在使用過(guò)程中容易導(dǎo)致超疏水性能喪失。針對(duì)這一問(wèn)題，以往的方法是在超疏水涂層中引入耐磨物質(zhì)，并采用含氟化合物進(jìn)行修飾，但這種涂層一般厚度較大（大于10μm），而且在應(yīng)用過(guò)程中存在局限性。現(xiàn)在，研究人員將自修復(fù)技術(shù)和超疏水技術(shù)結(jié)合，使用dyn-PDMS材料（一種改性聚二甲基硅氧烷）成功制備了一種玻璃高分子涂層，它獨(dú)特的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵使其具有自修復(fù)性和機(jī)械堅(jiān)固性。同時(shí)，dyn-PDMS材料本身是低表面能物質(zhì)，具備優(yōu)異的超疏水性能。該涂層很好地解決了超疏水涂層耐久性差的問(wèn)題。另外，在涂層制備過(guò)程中由于溶劑的快速蒸發(fā)，僅高分子物質(zhì)得以保留，致使該涂層可達(dá)到小于100nm的厚度。

先前大多數(shù)超薄涂層在固化到材料表面后會(huì)產(chǎn)生大量微小的針孔缺陷，致使涂層性能達(dá)不到預(yù)期效果。而伊利諾伊大學(xué)研發(fā)的這種超薄涂層可以有效防止針孔缺陷的形成，而且極易浸涂到硅、鋁、銅或鋼等各種基體材料上形成納米級(jí)厚度的涂層。

圖2 dyn-PDMS材料表面的超疏水性能

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結(jié)語(yǔ)

超疏水表面材料的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，在航空領(lǐng)域可用于防結(jié)/覆冰、防腐蝕、防霧等方面。提高材料表面的疏水性一般從降低材料的表面能、改變表面微觀形貌兩方面入手。本文所報(bào)道的富勒烯超疏水材料，便是利用了其納米尺度粗糙度的表面特性。而在超疏水表面的自修復(fù)方面，主要是通過(guò)恢復(fù)低表面能物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)（恢復(fù)涂層表面粗糙微觀形貌的方式難度更大）。本文所報(bào)道的dyn-PDMS超薄涂層也是利用該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自修復(fù)的。