告別粘污煩惱：超疏水表面處理技術的五大最新科學進展揭曉
核心提示：在材料科學的領域中，超疏水表面處理技術一直備受關注，其獨特的性能為眾多應用帶來了新的可能。近年來，這一領域更是取得了一系
在材料科學的領域中，超疏水表面處理技術一直備受關注，其獨特的性能為眾多應用帶來了新的可能。近年來，這一領域更是取得了一系列令人矚目的最新成果。
超疏水表面處理技術的原理與特性
超疏水表面通常是指與水的接觸角大于 150 度，滾動角小于 10 度的表面。其實現超疏水性能的關鍵在于表面的微觀結構和低表面能物質。微觀結構通常包括粗糙的紋理、納米級的凸起和凹陷等，這些結構能夠有效地捕捉空氣，減少水與固體表面的接觸面積。而低表面能物質如氟化物、硅氧烷等則能進一步降低表面的自由能，增強疏水效果。
下面將介紹最近一年內關于超疏水表面處理技術的最新成果。
1. 東南大學張友法團隊的研究
東南大學材料科學與工程學院張友法課題組于近期在超疏水涂層應用領域取得重要進展。他們設計了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹脂中，可同時賦予涂層超疏水性和機械穩定性。相關成果以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發表于國際著名期刊《Nature Communications》上。
該單元胞由硬質多孔的硅藻土微殼和可釋放的納米種子構成，具有獨特的物化性質，可同時提高涂層的超疏水性和機械性能，使超疏水涂層的耐磨性和耐沖擊性分別提高30-100倍和120倍。更重要的是，單元胞涂層可防止鹽霧、鹽水、混凝土等不同相物質黏附，以及促進露滴、霜層脫附，顯著提高換熱器傳熱效率。
2. 清華大學團隊的研究
清華大學材料學院激光材料研究中心鐘敏霖團隊近期報道了一種雙能壘高穩定性超疏水表面的激光制備方法。該方法通過雙重復合微結構設計，人為地引入第二 Cassie 狀態能壘，使其在熱力學上呈現出雙能壘的 Cassie 狀態，大大地提高 Cassie 狀態穩定性與防除冰性能，有望用于實際應用。
團隊首先建立了三相界面熱力學能量計算模型，探究不同微納結構的形貌與分布對潤濕性轉變過程與熱力學能量演變的影響機制。他們采用超快激光分步脈沖注入與化學氧化復合的方法，制備出兩組不同類型的微納復合結構。相較于傳統的納米效應單能壘超疏水結構，雙能壘結構具有更高的 Cassie 穩定性和更優越的防除冰性能。在-15℃的低溫高濕環境下可以維持過冷液體不結冰至少 27000s，且冰粘附強度僅為 0.9 kPa，在連續 48 次連續除冰循環后仍能維持約 20 kPa。
3. 湖北工業大學劉頓教授團隊的研究
湖北工業大學劉頓教授團隊在國際材料科學領域知名期刊《Composites Science And Technology》上發表了超疏水表面領域最新成果。該研究創新地采用激光處理和化學改性相結合的方法，在柔軟的硅橡膠基底上制備了具有周期性陣列結構的復合超疏水表面。此表面具有優異的耐磨損性能，并在外力摩擦、風沙沖擊、酸堿腐蝕等各種惡劣條件下保持良好的超疏水性能。
4. 溫州大學激光與光電智能制造研究院的成果
據浙江日報6月29日報道，溫州大學激光與光電智能制造研究院科研攻關團隊取得了關鍵性進展。他們用激光在金屬表面切割出數十個甚至數百個微米級或納米級的“小山”，使其表面構造類似荷葉，成功做出“超疏水表面”。該團隊從2016年起開展名為“面向海工裝備的超快激光加工超疏水結構關鍵技術研究”，目前已形成一套成熟的工藝理論研究，配套的激光設備開發也已完成。研究成果已在上海、臺州等多家單位的科考船上進行實驗，能減少船只舵葉和螺旋槳上的附著物堆積，實現金屬的自清潔。實驗證明，原來3天就需要人工清潔的螺旋槳，如今能維持半年不用清理。
這些研究成果在超疏水表面的穩定性、防除冰性能、耐磨損性等方面都有一定的創新和突破，為超疏水表面處理技術的進一步發展和實際應用提供了新的思路和方法。但實際應用中可能還需要考慮成本、大規模生產工藝等因素，以推動該技術在更多領域的廣泛應用。
超疏水表面處理技術的應用難點是什么？
耐久性和穩定性：在實際使用中，超疏水表面可能會受到物理磨損、化學侵蝕、溫度變化等因素的影響，導致其超疏水性能逐漸下降或喪失。如何提高其在復雜環境中的長期耐久性和穩定性是一個關鍵問題。
大規模生產：雖然實驗室中已經能夠制備出超疏水表面，但要實現大規模、低成本、高質量的工業化生產仍具有挑戰性。生產工藝的復雜性、生產設備的要求以及原材料的成本等都限制了其廣泛應用。
復雜表面的均勻處理：對于具有復雜形狀和結構的物體表面，要實現均勻、完整的超疏水處理并非易事，可能會出現局部處理效果不佳的情況。
機械強度：一些超疏水表面的微觀結構相對脆弱，在受到外力沖擊或摩擦時容易受損，從而影響其性能。
自修復能力：一旦超疏水表面受到損傷，如何實現自我修復以恢復其性能是一個有待解決的難題。
與基底材料的結合力：超疏水涂層與基底材料之間的結合強度可能不足，導致涂層容易剝落或分離
環境適應性：不同的應用場景具有不同的環境條件，如高溫、高壓、高濕度等，超疏水表面可能在某些極端環境下無法保持良好的性能。
成本問題：部分超疏水表面處理技術所使用的材料和工藝成本較高，限制了其在一些對成本敏感領域的應用。
性能評估標準：目前對于超疏水表面性能的評估標準尚未完全統一，這給不同研究成果之間的比較和實際應用中的質量控制帶來了一定困難。
超疏水表面處理技術的發展趨勢是什么？
超疏水表面處理技術的發展趨勢主要包括以下幾個方面：
高性能和耐久性：未來的發展將致力于提高超疏水表面的性能，如更強的疏水性（更高的接觸角和更低的滾動角），同時增強其在各種惡劣環境和長期使用條件下的耐久性，包括抗磨損、抗腐蝕、抗紫外線等
多功能集成：除了超疏水性能，還將與其他功能相結合，如自清潔、抗菌、防污、防結冰、抗指紋、油水分離等，以滿足不同應用場景的需求。
綠色環保制備方法：研究人員將更注重開發環保、低能耗、無毒害的制備工藝和材料，以減少對環境的影響。
大規模生產技術：為了滿足市場需求，需要發展高效、低成本的大規模生產技術，以實現超疏水表面處理技術在工業生產中的廣泛應用。
智能響應性：研發能夠對環境刺激（如溫度、濕度、光照、電場等）做出智能響應的超疏水表面，實現性能的動態調節。
在生物醫學領域的應用拓展：例如用于醫療器械的表面處理，以減少細菌附著和生物污垢的形成，或者用于藥物輸送系統等。
與其他技術的協同發展：與納米技術、材料科學、表面工程等領域的技術相互融合，創造出更先進的復合表面處理方法。
理論研究的深入：進一步深化對超疏水表面的物理化學機制和性能關系的理論研究，為技術創新提供更堅實的理論基礎。
跨領域應用創新：除了傳統的工業和建筑領域，還將在能源收集與存儲、農業、食品包裝等新領域實現創新應用。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551918.html
來源：賢集網
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超疏水表面處理技術的原理與特性
超疏水表面通常是指與水的接觸角大于 150 度，滾動角小于 10 度的表面。其實現超疏水性能的關鍵在于表面的微觀結構和低表面能物質。微觀結構通常包括粗糙的紋理、納米級的凸起和凹陷等，這些結構能夠有效地捕捉空氣，減少水與固體表面的接觸面積。而低表面能物質如氟化物、硅氧烷等則能進一步降低表面的自由能，增強疏水效果。
下面將介紹最近一年內關于超疏水表面處理技術的最新成果。
1. 東南大學張友法團隊的研究
東南大學材料科學與工程學院張友法課題組于近期在超疏水涂層應用領域取得重要進展。他們設計了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹脂中，可同時賦予涂層超疏水性和機械穩定性。相關成果以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發表于國際著名期刊《Nature Communications》上。
該單元胞由硬質多孔的硅藻土微殼和可釋放的納米種子構成，具有獨特的物化性質，可同時提高涂層的超疏水性和機械性能，使超疏水涂層的耐磨性和耐沖擊性分別提高30-100倍和120倍。更重要的是，單元胞涂層可防止鹽霧、鹽水、混凝土等不同相物質黏附，以及促進露滴、霜層脫附，顯著提高換熱器傳熱效率。
2. 清華大學團隊的研究
清華大學材料學院激光材料研究中心鐘敏霖團隊近期報道了一種雙能壘高穩定性超疏水表面的激光制備方法。該方法通過雙重復合微結構設計，人為地引入第二 Cassie 狀態能壘，使其在熱力學上呈現出雙能壘的 Cassie 狀態，大大地提高 Cassie 狀態穩定性與防除冰性能，有望用于實際應用。
團隊首先建立了三相界面熱力學能量計算模型，探究不同微納結構的形貌與分布對潤濕性轉變過程與熱力學能量演變的影響機制。他們采用超快激光分步脈沖注入與化學氧化復合的方法，制備出兩組不同類型的微納復合結構。相較于傳統的納米效應單能壘超疏水結構，雙能壘結構具有更高的 Cassie 穩定性和更優越的防除冰性能。在-15℃的低溫高濕環境下可以維持過冷液體不結冰至少 27000s，且冰粘附強度僅為 0.9 kPa，在連續 48 次連續除冰循環后仍能維持約 20 kPa。
3. 湖北工業大學劉頓教授團隊的研究
湖北工業大學劉頓教授團隊在國際材料科學領域知名期刊《Composites Science And Technology》上發表了超疏水表面領域最新成果。該研究創新地采用激光處理和化學改性相結合的方法，在柔軟的硅橡膠基底上制備了具有周期性陣列結構的復合超疏水表面。此表面具有優異的耐磨損性能，并在外力摩擦、風沙沖擊、酸堿腐蝕等各種惡劣條件下保持良好的超疏水性能。
4. 溫州大學激光與光電智能制造研究院的成果
據浙江日報6月29日報道，溫州大學激光與光電智能制造研究院科研攻關團隊取得了關鍵性進展。他們用激光在金屬表面切割出數十個甚至數百個微米級或納米級的“小山”，使其表面構造類似荷葉，成功做出“超疏水表面”。該團隊從2016年起開展名為“面向海工裝備的超快激光加工超疏水結構關鍵技術研究”，目前已形成一套成熟的工藝理論研究，配套的激光設備開發也已完成。研究成果已在上海、臺州等多家單位的科考船上進行實驗，能減少船只舵葉和螺旋槳上的附著物堆積，實現金屬的自清潔。實驗證明，原來3天就需要人工清潔的螺旋槳，如今能維持半年不用清理。
這些研究成果在超疏水表面的穩定性、防除冰性能、耐磨損性等方面都有一定的創新和突破，為超疏水表面處理技術的進一步發展和實際應用提供了新的思路和方法。但實際應用中可能還需要考慮成本、大規模生產工藝等因素，以推動該技術在更多領域的廣泛應用。
超疏水表面處理技術的應用難點是什么？
耐久性和穩定性：在實際使用中，超疏水表面可能會受到物理磨損、化學侵蝕、溫度變化等因素的影響，導致其超疏水性能逐漸下降或喪失。如何提高其在復雜環境中的長期耐久性和穩定性是一個關鍵問題。
大規模生產：雖然實驗室中已經能夠制備出超疏水表面，但要實現大規模、低成本、高質量的工業化生產仍具有挑戰性。生產工藝的復雜性、生產設備的要求以及原材料的成本等都限制了其廣泛應用。
復雜表面的均勻處理：對于具有復雜形狀和結構的物體表面，要實現均勻、完整的超疏水處理并非易事，可能會出現局部處理效果不佳的情況。
機械強度：一些超疏水表面的微觀結構相對脆弱，在受到外力沖擊或摩擦時容易受損，從而影響其性能。
自修復能力：一旦超疏水表面受到損傷，如何實現自我修復以恢復其性能是一個有待解決的難題。
與基底材料的結合力：超疏水涂層與基底材料之間的結合強度可能不足，導致涂層容易剝落或分離
環境適應性：不同的應用場景具有不同的環境條件，如高溫、高壓、高濕度等，超疏水表面可能在某些極端環境下無法保持良好的性能。
成本問題：部分超疏水表面處理技術所使用的材料和工藝成本較高，限制了其在一些對成本敏感領域的應用。
性能評估標準：目前對于超疏水表面性能的評估標準尚未完全統一，這給不同研究成果之間的比較和實際應用中的質量控制帶來了一定困難。
超疏水表面處理技術的發展趨勢是什么？
超疏水表面處理技術的發展趨勢主要包括以下幾個方面：
高性能和耐久性：未來的發展將致力于提高超疏水表面的性能，如更強的疏水性（更高的接觸角和更低的滾動角），同時增強其在各種惡劣環境和長期使用條件下的耐久性，包括抗磨損、抗腐蝕、抗紫外線等
多功能集成：除了超疏水性能，還將與其他功能相結合，如自清潔、抗菌、防污、防結冰、抗指紋、油水分離等，以滿足不同應用場景的需求。
綠色環保制備方法：研究人員將更注重開發環保、低能耗、無毒害的制備工藝和材料，以減少對環境的影響。
大規模生產技術：為了滿足市場需求，需要發展高效、低成本的大規模生產技術，以實現超疏水表面處理技術在工業生產中的廣泛應用。
智能響應性：研發能夠對環境刺激（如溫度、濕度、光照、電場等）做出智能響應的超疏水表面，實現性能的動態調節。
在生物醫學領域的應用拓展：例如用于醫療器械的表面處理，以減少細菌附著和生物污垢的形成，或者用于藥物輸送系統等。
與其他技術的協同發展：與納米技術、材料科學、表面工程等領域的技術相互融合，創造出更先進的復合表面處理方法。
理論研究的深入：進一步深化對超疏水表面的物理化學機制和性能關系的理論研究，為技術創新提供更堅實的理論基礎。
跨領域應用創新：除了傳統的工業和建筑領域，還將在能源收集與存儲、農業、食品包裝等新領域實現創新應用。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551918.html
來源：賢集網
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