“为什么荷叶“出淤泥而不染”？《自然》杂志这篇封面文案透露答案”

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陈振鹏科技日报记者盛利

为什么水蜘蛛可以在水上行走？ 荷叶为什么“出泥不染色”？ 为什么蝴蝶的翅膀不湿？ 其实，这些都与动植物“体”表面的超疏水性有关。 受上述自然现象的启发，人们逐渐掌握了制造超疏水材料实现自我清洗的“秘密”，它对水具有极好的反弹性，水滴不能在其表面展开，维持球状，极易滚动，在滚动过程中具有表面灰尘，自我

但是，这种超疏水材料的表面结构非常脆弱，难以广泛应用。 如何在超疏水材料的表面“披上”坚固的“盔甲”？ 将来这个新表面会有那些应用吗？ 6月8日，记者从电子科技大学获悉，日前《自然》杂志封面公布了该校基础与前沿研究院邓旭教授团队的最新科研成果。 这篇论文叫做《设计坚固的超疏水表面》，是在超疏水表面“穿着”优良的机械稳定性微细结构盔甲的方法，处理了超疏水表面机械稳定性不足的重要问题。

“超疏水性vs机械稳定性”能兼顾鱼和熊掌吗？

荷叶为什么“出泥不染”？ 这是为了荷叶上的灰尘和污垢容易被露珠和雨水夺走，保持表面清洁。 近年来，源于动植物仿生学的超疏水材料因其独特的物理性质，在表面自清洗、生物防污、防水抗冻、流体减阻及传热传质等行业显示出较大的应用潜力。

在我国，以江雷院士团队为代表的广大研究小组在固液界面材料研究行业建立了坚实的理论和应用基础，取得了丰硕的研究成果。

“但是，由于需要利用微纳粗糙度结构，超疏水材料更容易磨损破碎。 ”。 论文第一作者、电子科大基础与前沿研究院博士生王德辉表示，这种磨损也暴露了底层材料，改变了表面的局部化学性质，从疏水性变为亲水性，从而钉住水滴。

“一般来说，如果在以前就传下来的材料表面引入超疏水性的话，耐磨损性就不太好。 ”。 他说，例如轻微的接触、沙尘暴的攻击等，都有可能使超疏水性能“失效”。 因此，如何保证材料表面兼具良好的超疏水性能和较强的机械稳定性是目前超疏水材料进入实用行业急需处理的建设上的课题。

“现有的科学研究认为，材料表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特征。 ”。 王德辉说，这是因为通过减少接触面积来提高疏水性，微/纳米结构体也受到更高的局部压力，容易磨损。 “这意味着，在提高具有超疏水性和机械稳定性的性能时，另外的性能必然会下降。 ”。

超疏水表面是如何加固的？ 优化设计“微结构盔甲”

那么，在机械性弱的超疏水材料表面加上“铠甲”，如何将同一材料表面的机械稳定性和超疏水性能双重叠加呢？

“另一方面，为了实现机械的稳定性，需要以更大的结构尺度进行几何设计。 另一方面，要得到更好的超疏水性，需要在纳米尺度上进行结构优化。 ”。 王德辉说，按照常规设想，用同一尺度实现上述两种性能的兼容性并不太容易。

可以试着分割解决吗？ 论文作者、电子科技大学基础与前沿研究院教授邓旭及其团队提出了新的实验思路:通过“解耦机理”将超疏水性和机械稳定性分割为两个不同的结构尺度，利用微观结构为超疏水纳米材料提供坚实的“盔甲”，防止磨损。

“微结构可以实现微米乃至更高的宏观水平，耐磨损性较好，提供机械稳定性，保护纳米材料免受磨损。 受保护的纳米结构首要承担着超疏水性。 ”。 王德辉说，这样优化设计制成的精细结构“铠甲”，可以牢固地保护超疏水纳米材料免受摩擦磨损，构筑盔甲化的超疏水表面。

在实验过程中，该团队结合浸润性理论和机械力学原理大致分解了微结构设计，利用光刻、冷/热压等微细加工技术将铠甲结构制造在硅片、陶瓷、金属、玻璃等普遍基材表面，与超疏水纳米材料复合，获得了优异的机械稳定性

这种精细加工技术必须精确到什么程度？ “提供机械性能的话，微米级就足够了”王德辉说，通常在微米级的结构中，尺度越大，对摩擦磨损越不敏感。

新技术被用于自清洗太阳能电池

目前，研究人员知道这种新型超疏水材料的表面应用于太阳能电池罩。

王德辉表示，新材料将通过表面依赖冷凝液滴去除尘埃粒子的自清洗方法，为少雨地区提供自清洗太阳能电池的处理方案。 “此外，基于玻璃装甲化表面的自清洗技术可以巧妙地利用雨和雾去除粉尘等污染，长时间维持太阳能电池的有效能量转换，节约以前清洗所需的淡水资源和劳动力的价格。 ”他说