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航院微纳力学中心郑泉水、吕存景团队在极端疏水领域取得重要进展

1997年,荷叶表面自清洁特性的微观机理得到揭示,受此启发,人们提出了超疏水这一特殊的固液表面润湿概念。因超疏水性表面在环境、能源、热交换、信息等极其广泛的领域都有重大的潜在应用前景,在过去二十多年间吸引了持续高涨的理论与应用研究。物理上讲,当水滴与粗糙固体表面接触时,主要存在两种润湿状态,即液滴只与粗糙材料顶部接触的Cassie润湿状态,和液滴与粗糙结构内部完全浸润的Wenzel润湿状态。超疏水指的是液滴接触表面时,表观接触角>150°且滚动角<5°的现象,该现象只能发生在Cassie润湿状态。

然而,随着人们在认识超疏水的机理和超疏水材料的制备方面取得了长足的进步,超疏水表面的稳定性或耐久性问题成为了阻碍超疏水表面技术真正走向重要应用的最大挑战。清华大学dafabet黄金手机版微纳力学中心郑泉水、吕存景团队率先把稳定性问题分为三大方面:化学稳定性(如耐酸碱、高温、紫外线等本征疏水性破坏)、结构稳定性(如耐磨损、损伤等机械破坏和失稳失效)、润湿状态的稳定性(如抵御从Cassie到Wenzel润湿状态转换的能力,或即使因外部干扰一时成了Wenzel状态,也将自发恢复为Cassie状态的能力)。客观上,如果稳定性问题得不到解决,超疏水是无法真正走向实际应用的,这就是目前该研究领域的最新状态。人们亟需加强这方面的理论和实验,以及可商业化技术的开发。

日前,郑泉水、吕存景团队在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊在线发表了题为“微结构疏水表面上多边形液滴”(Polygonal Non-Wetting Droplets on Microtextured Surfaces)的研究论文,报道了柱状微结构疏水表面上小液滴在受平板挤压的状态下,稳定形成可保持Cassie接触状态、同时可控多边形液膜的新发现,并揭示了该行为的机理;该结果同时也提供了解决在极大干扰力作用下小液滴润湿状态稳定性问题的一个全新思路。

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图1:具有不同几何形貌和排列方式的疏水微结构表面上三角形、四边形、六边形液滴图案。(a)实验装置;(b)-(d)水滴;(e)金属液滴

实验中,该团队发现当使用百微米高、尺寸和间距在十微米量级的周期性表面微柱结构时,液滴在受压后(图1a)表现出独特的行为:增加压力的过程中,液滴始终处于Cassie状态,并形成特定的图案化液膜(图1b-e);即便压板接触到了微结构顶部(图1a),液滴也不坍塌成Wenzel状态,而是始终“悬挂”在微结构顶部(边缘)。特别有意思的是,随压力逐渐释放,液滴总会自发恢复并最终回到原来的小液滴Cassie润湿状态。进一步发现,这种“可逆”行为对水滴(图1b-d)和金属液滴(图1e)均表现出良好的适用性。研究还揭示了受压过程中固-液-气三相接触线移动所要克服的能量势垒具有各向异性是其产生多边形的原因(图2a);多边形图案的边数主要由微结构的排列方式所决定、其角点所能达到的最大曲率由微结构的间距所控制(图2b)。实验表现出了良好的可重复性(图2c)。此外,利用低温技术降低液膜温度,当释放压板后,多边形液膜图案可以被“固定”下来(图2d)。

图2:疏水多边形液膜的形成机理。(a)固-液-气接触线沿不同方向移动的能垒;(b)多边形液膜角点曲率的调控;(c)润湿状态的可逆性;(d)低温下金属液膜成型

这项工作的意义在于:有助于加深人们对Cassie润湿状态的认识,突破了人们长期以来认为多边形液膜只能在微结构亲水表面稳定形成的观念;丰富了极端疏水的内容,有助于指导设计更加稳定的超疏水材料、从而推动超疏水真正走向实际应用;为微纳米尺度下液滴一次成型开启了一种有潜力的技术方法;液滴在变形过程中呈现透明度和颜色的变化,为机械致变色器件(如智能窗户)的制备提供新的思路等。

清华大学dafabet黄金手机版微纳力学中心的娄晶博士与吕存景副教授分别为论文的第一作者与通讯作者,郑泉水院士全程对工作给予了指导。其他作者包括清华大学dafabet黄金手机版微纳力学中心的史松林博士、2019级博士生马晨和2021级博士生周晓环,北京大学集成电路学院博士后黄东。该研究成果得到了国家自然科学基金重点项目和国家海外高层次人才引进项目等的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30399-0