近些年来，以荷叶、鸟类羽毛等生物组织和结构为仿生对象制备超疏水表面已成为材料研究领域的热点之一。美国中佛罗里达大学（UCF, University of Central Florida）近日研发了一种富勒烯超疏水材料，制备的薄膜在水中浸没数小时仍能保持优异的超疏水性能，这是以往超疏水材料无法达到的水平。伊利诺伊大学（??University of Illinois??）研发了一种具备自修复功能的超薄型超疏水涂层（厚度小于100nm)，可解决传统超疏水涂层耐久性差的问题。
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富勒烯超疏水材料在水中浸没数小时仍能保持干燥状态
2021年8月12日Advanced Materials杂志的封面文章刊登了美国中佛罗里达大学在富勒烯超疏水材料的新研究成果，利用该材料制备的薄膜在2英尺（约61cm）深的水中浸没3小时后，仍能保持干燥状态。
该项研究的负责人Debashis Chanda教授从荷叶结构中获得灵感，合成了基于富勒烯分子晶体的纳米结构材料，并利用该材料制备超疏水薄膜和涂层。富勒烯是通过结合碳分子形成笼状封闭结构而产生的，这些结构可以相互堆叠，形成名为富勒体的高晶体。富勒体虽然具有较高的表面能，但利用其凝胶制备的薄膜或涂层可产生纳米尺度的粗糙表面，使其具有优异的疏水性能。
大多数先前报道的疏水表面是通过设计微观表面形貌来实现的，涉及复杂的光刻或蚀刻工艺，但并不是所有的材料表面均可实施上述工艺。而且，先前报道的疏水表面一般在水中浸没数分钟后其疏水性能就会丧失。但是，UCF的这种富勒体薄膜，无论水流方向如何变化，甚至在水流持续冲刷的情况下，都能表现出极强的疏水性能。据介绍，将一滴由上述富勒体形成的凝胶滴在任何材料表面上，均可以触发其表面的超疏水性能。
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超薄自修复涂层实现耐久超疏水性能
2021年9月Nature Communications杂志刊登了美国伊利诺伊大学香槟分校在超薄自修复超疏水涂层的新研究成果。这种超疏水涂层厚度小于100nm，具备自修复功能，可以承受划痕、撞击等损伤破坏，可解决传统超疏水涂层耐久性差的问题。
目前已有的超疏水表面大多机械强度不高或化学稳定性较差，在使用过程中容易导致超疏水性能丧失。针对这一问题，以往的方法是在超疏水涂层中引入耐磨物质，并采用含氟化合物进行修饰，但这种涂层一般厚度较大（大于10μm），而且在应用过程中存在局限性。现在，研究人员将自修复技术和超疏水技术结合，使用dyn-PDMS材料（一种改性聚二甲基硅氧烷）成功制备了一种玻璃高分子涂层，它独特的动态共价键使其具有自修复性和机械坚固性。同时，dyn-PDMS材料本身是低表面能物质，具备优异的超疏水性能。该涂层很好地解决了超疏水涂层耐久性差的问题。另外，在涂层制备过程中由于溶剂的快速蒸发，仅高分子物质得以保留，致使该涂层可达到小于100nm的厚度。
先前大多数超薄涂层在固化到材料表面后会产生大量微小的针孔缺陷，致使涂层性能达不到预期效果。而伊利诺伊大学研发的这种超薄涂层可以有效防止针孔缺陷的形成，而且极易浸涂到硅、铝、铜或钢等各种基体材料上形成纳米级厚度的涂层。
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结语
超疏水表面材料的应用范围相当广泛，在航空领域可用于防结/覆冰、防腐蚀、防雾等方面。提高材料表面的疏水性一般从降低材料的表面能、改变表面微观形貌两方面入手。本文所报道的富勒烯超疏水材料，便是利用了其纳米尺度粗糙度的表面特性。而在超疏水表面的自修复方面，主要是通过恢复低表面能物质来实现（恢复涂层表面粗糙微观形貌的方式难度更大）。本文所报道的dyn-PDMS超薄涂层也是利用该方法来实现自修复的。
参考文献：
[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：李凯，来自航空制造技术研究院技术发展中心