近些年來，以荷葉、鳥類羽毛等生物組織和結構為仿生對象制備超疏水表面已成為材料研究領域的熱點之一。美國中佛羅里達大學（UCF, University of Central Florida）近日研發了一種富勒烯超疏水材料，制備的薄膜在水中浸沒數小時仍能保持優異的超疏水性能，這是以往超疏水材料無法達到的水平。伊利諾伊大學（??University of Illinois??）研發了一種具備自修復功能的超薄型超疏水涂層（厚度小于100nm)，可解決傳統超疏水涂層耐久性差的問題。

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　　富勒烯超疏水材料在水中浸沒數小時仍能保持干燥狀態

　　2021年8月12日Advanced Materials雜志的封面文章刊登了美國中佛羅里達大學在富勒烯超疏水材料的新研究成果，利用該材料制備的薄膜在2英尺（約61cm）深的水中浸沒3小時后，仍能保持干燥狀態。

　　該項研究的負責人Debashis Chanda教授從荷葉結構中獲得靈感，合成了基于富勒烯分子晶體的納米結構材料，并利用該材料制備超疏水薄膜和涂層。富勒烯是通過結合碳分子形成籠狀封閉結構而產生的，這些結構可以相互堆疊，形成名為富勒體的高晶體。富勒體雖然具有較高的表面能，但利用其凝膠制備的薄膜或涂層可產生納米尺度的粗糙表面，使其具有優異的疏水性能。

　　大多數先前報道的疏水表面是通過設計微觀表面形貌來實現的，涉及復雜的光刻或蝕刻工藝，但并不是所有的材料表面均可實施上述工藝。而且，先前報道的疏水表面一般在水中浸沒數分鐘后其疏水性能就會喪失。但是，UCF的這種富勒體薄膜，無論水流方向如何變化，甚至在水流持續沖刷的情況下，都能表現出極強的疏水性能。據介紹，將一滴由上述富勒體形成的凝膠滴在任何材料表面上，均可以觸發其表面的超疏水性能。

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　　超薄自修復涂層實現耐久超疏水性能

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

　　目前已有的超疏水表面大多機械強度不高或化學穩定性較差，在使用過程中容易導致超疏水性能喪失。針對這一問題，以往的方法是在超疏水涂層中引入耐磨物質，并采用含氟化合物進行修飾，但這種涂層一般厚度較大（大于10μm），而且在應用過程中存在局限性。現在，研究人員將自修復技術和超疏水技術結合，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，它獨特的動態共價鍵使其具有自修復性和機械堅固性。同時，dyn-PDMS材料本身是低表面能物質，具備優異的超疏水性能。該涂層很好地解決了超疏水涂層耐久性差的問題。另外，在涂層制備過程中由于溶劑的快速蒸發，僅高分子物質得以保留，致使該涂層可達到小于100nm的厚度。

　　先前大多數超薄涂層在固化到材料表面后會產生大量微小的針孔缺陷，致使涂層性能達不到預期效果。而伊利諾伊大學研發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厚度的涂層。

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　　結語

　　超疏水表面材料的應用范圍相當廣泛，在航空領域可用于防結/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方面，主要是通過恢復低表面能物質來實現（恢復涂層表面粗糙微觀形貌的方式難度更大）。本文所報道的dyn-PDMS超薄涂層也是利用該方法來實現自修復的。

　　參考文獻：

　　[1] R. Saran, D. Fox, L. Zhai, D. Chanda, Advanced Materials, 2102108 (2021), https://doi.org/10.1002/adma.202102108.

　　[2] J. Ma, L. Porath, M. Haque, S. Sett, K Rabbi, S. Nam, N. Miljkovic, C. Evans, Nature Communications, 12:5210 (2021)， https://doi.org/10.1038/s41467-021-25508-4.

　　作者：李凱，來自航空制造技術研究院技術發展中心