田雪林教授课题组在“双重自由移动”液体超排斥表面研究取得进展

      水滴在超疏水表面上自由移动的能力是实现有效液体排斥特性的关键。通常情况下，超疏水表面只允许Cassie-Baxter状态的水滴在表面自由运动。这是因为在该状态下，液体被支撑在表面微结构的顶部，实际的固液接触面积大大减小，因而液滴在表面的切向粘附力得到显著降低，从而能自由移动。然而，一旦液体穿透进入表面微结构内部，会导致表面发生润湿性转变成为Wenzel状态。在此状态下，液滴在表面的粘附力会大大增加，从而被铆钉在表面上失去自由移动的能力，使得表面丧失液体排斥性。为了保证超疏水表面上液滴的高移动性，现有的策略主要以促进液滴在Cassie态时的稳定性并抑制Cassie-to-Wenzel状态转变为主。然而，超疏水表面上液体的Cassie-to-Wenzel转变无法完全消除，流体的钉扎在各种条件下仍不断发生，使得超疏水表面受到自清洁失效、霜/冰加速积累、传热效率降低、表面污染等问题的困扰。

      针对Wenzel态液体的钉扎问题，田雪林教授课题组通过表面结构调控结合类液体表面化学修饰，开发出一种独特的“双重自由移动”液体超排斥表面。该表面允许水滴不仅在Cassie状态，而且在Wenzel状态下均能保持自由运动特性（图1），避免了Wenzel转变导致的液体排斥性失效。不同于之前报道的自由移动Wenzel态超疏水表面，本研究中所设计表面无需引入润滑液层，也不依赖精细纳米结构来保型的锁定润滑液膜，因而简化了制备工艺，并避免了润滑液带来的稳定性欠佳及对样品的污染问题。研究提出了描述表面Wenzel状态液滴粘附力的理论模型，与实验结果吻合良好，可指导“双重自由移动”超排斥表面的设计（图2）。根据理论模型，表面微结构单元较小的高度-间距比值，以及类液体涂层的高后退角和低接触角滞后可协同降低Wenzel 态液滴的横向粘附力，从而保证了液滴的自由移动特性。研究还发现，相比于传统全氟表面，类液体表面化学还通过促进Wenzel态接触线的局部（非整体协调一致的）运动降低了液滴运动过程中需要克服的临界粘附，进一步提升了液滴的自由移动特性。此外，所制备“双重自由移动”超排斥表面展示了增强的抗冰性能，以及消除内部污染物的独特自洁能力。该研究扩展了对超疏表面抗润湿状态的理解，并为开发性能优异的液体超排斥表面提供了新可能。

图1：“双重自由移动”超疏水表面的设计与动态抗润湿性

图2. “双重自由移动”超疏水表面的Wenzel态促滑机制理解与表面设计准则

      相关研究成果以“Unconventional Dually‐Mobile Superrepellent Surfaces”为题发表在《Advanced Materials》期刊上（https://doi.org/10.1002/adma.202402893），我院博士生范岳为论文的第一作者，田雪林教授为论文的通讯作者，中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。上述研究工作受到国家自然科学基金等项目的资助。