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研究背景

工程超耐用涂層能夠抵抗不同相(液體，蒸汽或固體)物質(zhì)的吸積，同時(shí)賦予多功能，這對于許多實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，例如航空/海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，建筑工程，海洋工程和海洋工程等。然而，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)一種能夠顯示所有這些首選特性的涂層似乎是相互排斥的。首先，在涂層上引入粗糙的結(jié)構(gòu)是防液的首選方法，但是，這樣做也會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的局部透氣性，與固體顆粒的粘附性很大，并降低機(jī)械強(qiáng)度。因此，降低涂層的表面能會(huì)降低其對液體和固體的吸積能力，但是，涂層表面能的降低會(huì)降低其對液體和固體的吸積能力，因此，涂層的表面能會(huì)降低其對疏水表面的吸積能力，從而導(dǎo)致基體內(nèi)部化學(xué)鍵的限制和與基體的弱附著力。

成果簡介

開發(fā)通用的、可擴(kuò)展的、耐用的涂層，抵抗各種操作環(huán)境中物質(zhì)(液體、蒸汽和固相)的吸附，對于工業(yè)應(yīng)用來說是很重要的，但也被證明是具有挑戰(zhàn)性的。近日，東南大學(xué)張友法教授、香港理工大學(xué)王鉆開教授、電子科技大學(xué)鄧旭教授和上海交通大學(xué)李萬博副教授等人合作報(bào)道了一種不需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和制造工藝的單元胞涂層，它具有拒液、防蒸汽和固體脫落的能力。其關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)由剛性微殼和可釋放的納米種子組成的基本單元胞，它們共同充當(dāng)剛性屏蔽和與基質(zhì)和襯底化學(xué)結(jié)合的橋梁。

這種單元胞涂層具有較強(qiáng)的耐磨性和抗各種物質(zhì)的抗侵蝕性，在1000小時(shí)以上的海水中增強(qiáng)了抗腐蝕能力，并在復(fù)雜的相變條件下保持干燥。單元胞可以浸漬成不同的基質(zhì)，通過可擴(kuò)展的噴涂，方便大規(guī)模生產(chǎn)。這項(xiàng)策略為工程超耐用涂料的廣泛應(yīng)用提供了通用的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。這項(xiàng)工作以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。

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圖文導(dǎo)讀

圖1 單元胞涂層的設(shè)計(jì)與表征

圖2. 單元胞涂層的機(jī)械性能

在這里，作者提出了一種將結(jié)構(gòu)和功能堅(jiān)固性集成在一個(gè)涂層中的單元胞設(shè)計(jì)方法。如圖1a所示，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)由剛性微殼和可釋放的納米種子組成的單元胞單元或單元胞。單元胞是機(jī)械化學(xué)控制，賦予涂層的超耐久性。從機(jī)械上講，當(dāng)施加的載荷小于其臨界斷裂點(diǎn)時(shí)，單元胞就像一個(gè)強(qiáng)大的屏障，保護(hù)表面結(jié)構(gòu)。然而，在更大的載荷下，頂部的單元胞可以被破壞，納米種子在剪切力的作用下立即釋放，具有剪切適應(yīng)性釋放，從而保持拒水性?；瘜W(xué)上，作者利用單元胞的非均質(zhì)化學(xué)，將納米種子完全鹽化，部分鹽化外殼，從而使單元胞與基質(zhì)具有很強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)保持全局超疏水性。正如密度泛函理論(DFT)模擬所探究的那樣。這些單元胞也很好地分散在各種基質(zhì)中，以同時(shí)設(shè)計(jì)具有強(qiáng)機(jī)械耐久性和多功能性的單元胞涂層。

在作者的設(shè)計(jì)中，分別選擇多孔硅藻土、二氧化硅納米球和環(huán)氧樹脂作為外殼、種子和基質(zhì)。單元胞包衣的制備分為三個(gè)步驟:硅化殼和種子，形成單元胞，將單元胞懸浮在基質(zhì)中。在第一步中，分別控制硅氧烷的添加量，使殼和種子硅化，使單元胞化學(xué)不均勻。然后在乙酸丁酯中劇烈攪拌，將種子浸漬在殼中，形成單元胞。制備的單元胞最終穩(wěn)定地分散在環(huán)氧樹脂中，環(huán)氧樹脂是一種具有代表性的多用途基質(zhì)，從而形成涂層懸浮液。涂層懸浮液可在80℃下噴涂1小時(shí)，在各種基材(如玻璃、金屬、陶瓷、聚合物復(fù)合材料、紙張、海綿等)上形成共價(jià)鍵合涂層。

圖3. 多孔涂層的機(jī)械堅(jiān)固性(涂層厚度~80 μm)

圖4. 可持續(xù)應(yīng)用的多孔涂層多相驅(qū)避(涂層厚度~80 μm)

作者進(jìn)行了顯微測試，以證明基本單元胞的強(qiáng)化作用。圖2a繪制了納米壓痕測試中單個(gè)單元胞的載荷-位移曲線。斷點(diǎn)出現(xiàn)在3.2 mN，對應(yīng)于單元胞斷裂的開始。一旦注入到涂層中，基本單元胞就會(huì)作為一個(gè)機(jī)械屏障，承受主要的應(yīng)力，保護(hù)納米種子在低于3.2 mN的載荷下免受機(jī)械劃傷。

與此形成鮮明對比的是，在不使用基本單元胞的情況下，如納米種子涂層所示，涂層很容易被穿透，甚至從基體上刮掉(圖2a, b)。與對照樣品(即單殼涂層、單雜交種子涂層和單納米種子涂層)相比，單元胞涂層在硬度和彈性模量方面都有顯著提高(圖2c)。

當(dāng)進(jìn)一步增加超過臨界力的載荷時(shí)，我們觀察到單元胞的斷裂，這導(dǎo)致存儲(chǔ)的納米種子在受損區(qū)域瞬間釋放，從而保持表面粗糙度(圖2d-f)。然后，作者分別研究了單元胞涂層對Taber磨損和射流刺穿的機(jī)械耐久性。作者發(fā)現(xiàn)，無論使用何種基質(zhì)，單元胞涂層都可以在1千克載荷下承受1000次磨損循環(huán)(圖3a、b)，這表明強(qiáng)化效果主要來自單元胞而不是基質(zhì)。相比之下，所有的對照樣品，包括單獨(dú)的納米種子、單獨(dú)的殼、混合單獨(dú)的種子涂層、單獨(dú)的基質(zhì)涂層和商業(yè)超疏水涂層，在經(jīng)過幾十次磨損循環(huán)后，都被磨損并失去了拒水性，如圖3b所示。

總結(jié)與展望

綜上所述，作者提出的蜂窩設(shè)計(jì)解決了結(jié)構(gòu)、化學(xué)和表面/體相性能方面的矛盾要求，并實(shí)現(xiàn)了防水涂層的超耐久性。所有使用的材料都是商業(yè)上可用的和環(huán)保的，并且可以大規(guī)模制備。作者進(jìn)一步證明了由氟化物質(zhì)制成的單元胞涂層的超耐久性，這種蜂窩涂層在其他實(shí)際應(yīng)用中也很有前景，如防潮、減阻、防污、輻射冷卻和能量收集。

文獻(xiàn)信息

Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41675-y)

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41675-y

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