超疏水表面因其獨有的特性而在自清潔、微流體、防冰和生物傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。近年來，隨著柔性材料及電子器件的不斷興起，對超疏水功能化柔性基底的需求亦不斷提升。一方面，柔性超疏水表面依然需要面臨傳統(tǒng)超疏水所存在的如耐磨損穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)；另一方面，柔性超疏水薄膜易于貼附在不同曲率的表面，且其在機械變形中疏水性能的保持也是衡量其性能的關(guān)鍵；再者，便捷環(huán)保的制備方式，對拓寬超疏水柔性薄膜在不同場景的實際應用亦具有重要的意義。
圖1：（a）基于磁場的微纖毛陣列制備及原位快速燭焰固化以實現(xiàn)分層微納結(jié)構(gòu)的示意圖。（b）具有超疏水性能的微納米分層結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖片。（c）高速水流轟擊樣品表面的穩(wěn)定性測試。下圖為半固化微纖毛表面進行燭焰固化的實驗，上圖為完全固化的微纖毛表面進行燭焰固化的對比。水流注射速度約為10.4 m/s，韋伯數(shù)約為526，水壓約為0.17 MPa。
有鑒于此，課題組提出了一種簡單的制備工藝，來實現(xiàn)具有高魯棒性的柔性超疏水薄膜。該方法無需依賴過多的精細設備，只需要永磁鐵提供的磁場及蠟燭火焰即可實現(xiàn)穩(wěn)定的柔性超疏水。如圖1a所示，該工作采用常見的磁基聚合物（PDMS及羰基鐵粉），在外加磁場下使其自動生成微纖毛陣列；當其在定型且表面處于半固化狀態(tài)時（如低溫烘烤2 h），將其放置于蠟燭之上，在高溫燭焰中進行快速固化。燭焰帶來的高溫在快速固化纖毛表面的同時，亦對纖毛表面進行蝕刻，且沉積的碳納米顆粒在該過程中會與未完全固化的微結(jié)構(gòu)表面連為一體，從而實現(xiàn)了一體化的微納米結(jié)構(gòu)，而這正是該工作中能夠?qū)崿F(xiàn)機械及化學穩(wěn)定性的關(guān)鍵之處。在該過程中，也會有大量的納米顆粒依靠物理吸附附著于樣品表面（圖1b）；不排除該顆粒在超疏水方面所起到的提升作用，但正如后文所述，其基底所具有的一體化微納米分層結(jié)構(gòu)才是超疏水穩(wěn)定性的根本原因。
圖2：（a）經(jīng)超聲處理后的微纖毛表面變化示意圖。（b）經(jīng)過不同時間的超聲處理后，不同樣品的表面滾動角變化趨勢。（c）液滴彈跳實驗結(jié)果。液滴速度為0.88 m/s，樣品為經(jīng)超聲處理1小時。
在燭焰烘烤過程中，會有大量的碳顆粒沉積于樣品的表面，而其較弱的物理吸附能力使得其在經(jīng)過超聲處理后，很容易脫落（如圖2a）。然而，由于一體化分層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，即使經(jīng)過高功率的超聲處理后，其本身所具有的微納分層結(jié)構(gòu)依然能夠確保樣品的疏水特性。與傳統(tǒng)的諸多實現(xiàn)柔性超疏水基底的制備方法相比，本文所制備的工藝不僅在技術(shù)要求上更為簡便，且在抵抗超聲處理的能力尤為優(yōu)秀；如圖2b所示，即使在經(jīng)過超聲處理4小時后，樣品的滾動角改變量依然處于10°以內(nèi)。因此，在經(jīng)過超聲處理的樣品表面，掉落的液滴依然能夠自如地反彈并滾動脫離表面（圖2c）。另外，該工作亦系統(tǒng)地研究了超疏水薄膜的耐用性，并對薄膜經(jīng)受化學腐蝕、機械變形、外界磨損等不同條件下的超疏水性能維持能力進行了表征（圖3）。在經(jīng)過有機污染物（丙酮、食用油）、化學腐蝕（鹽酸、氫氧化鈉、王水等 ）、多周期的達1.12 MPa正面施壓（雙面膠測試）、25 kPa的切向磨損等實驗中，樣品表面都能夠保持較好的疏水性能。得益于表面所特有的一體化微納分層纖毛陣列，文中他們也展示了在不同的拉伸程度及多周期往返拉伸下，樣品依然能夠保持優(yōu)異的疏水性能。經(jīng)過500個周期的100%往返拉伸測試，薄膜表面的超疏水特性并沒有明顯的退化。
圖3：（a）經(jīng)過化學腐蝕處理后的樣品表面接觸角及滾動角的變化趨勢。（b）經(jīng)過酸堿浸泡后的樣品，在高速水流轟擊下的液柱反彈實驗。水流速度約為2.60 m/s，直徑約為350 μm。（c）周期性雙面膠擠壓樣品表面的裝置圖，及其接觸角與滾動角變化趨勢。所施加的正向壓力范圍為0.28 - 1.12 MPa。（d）切向磨損實驗裝置示意圖。（e）經(jīng)過切向磨損500周期后（壓力為25 kPa），樣品的表面掃描電鏡圖片。
為了驗證所制備的樣品可在不同曲面都獲得良好的應用，他們將其黏貼于雨傘的外表面，并通過搭配裝置來模擬水珠滴落過程中是否會有液滴粘附（圖4a）。在雨傘多次開合的過程中，樣品的柔韌性（可拉伸、可曲折）能夠保證其完好地附著于雨傘表面而不脫落。而經(jīng)過長時間的水珠沖刷之后，薄膜表面依舊干燥且無液體粘附，意味著其有望在雨傘快速干燥等方面發(fā)揮作用。最后，他們亦將樣品貼于壓力傳感裝置上，展示其在不同的日常生活機械磨損后，穩(wěn)定性是否有明顯的影響（圖4b）。壓力傳感器可實時監(jiān)控該測試過程中他們所施加于樣品表面的作用力；實驗證明，經(jīng)過不同的表面磨損及測試后，液滴依然能夠輕易地從樣品表面流走而不會粘在樣品的表面。應該指出的是，正如圖3d-e所示，如若外界施加的力已達到足以破壞整個超疏水薄膜的程度，那么其疏水性則毫無疑問會遭到破壞，而這也是后續(xù)工作值得繼續(xù)探討及不斷優(yōu)化的地方。
圖4：（a）薄膜樣品粘貼于雨傘表面后，用水珠反復轟擊樣品表面以進行疏水穩(wěn)定性能測試。（b）機械穩(wěn)定性的測試，測試包含了模擬生活中常見的磨損如鐵絲球、螺絲刀、砂紙、手指按壓，及手術(shù)刀刮損等。
該工作得到了澳門科學技術(shù)發(fā)展基金及澳門大學研究基金的支持。相關(guān)成果發(fā)表于Chemical Engineering Journal。澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生陳戈、戴子憶為文章的共同第一作者。通訊作者為周冰樸助理教授；廣州大學化學化工學院林璟教授，及澳門大學潘暉教授，王雙鵬教授，周胤寧教授亦為此工作提出了寶貴意見。
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