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中国科学家攻克全球材料界难题,相关研究登《自然》封面

人类对大自然的“超级模仿”。

你经常喝咖啡提神吗?网友说得好,最提神的不是喝咖啡,而是咖啡突然洒在桌子上。看着被染成棕色的手机、电脑或记事本,保证你睡意全无。

但这种提神成本太大,动不动就是几千块打水漂。有没有可能让咖啡洒在电脑上,电脑却“片叶不沾身”?就像下面右侧男子的衬衫,即便被泼墨也能很快弹开墨水?

动图右侧男子的衬衫,因为是超疏水材料做的,所以才会如此“神奇”。而中国已有团队对该材料做出突破性研究。

6 月 3 日,电子科技大学邓旭教授团队在《自然》发表题为《设计坚固的超疏水表面》(Design of robust superhydrophobic surfaces)的封面文章。

长期以来,该领域普遍认为,材料表面的机械稳定性和超疏水性是两个无法兼得的特性。

邓旭团队的研究则基于全新思路。他们首次通过去耦合机制将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度,并分别进行最优设计,最终为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”,机械稳定性不足的“死穴”得以攻破。

图 | 邓旭

本次《自然》封面论文的第一作者王德辉告诉 DeepTech,在披上陶瓷“铠甲”的超疏水材料上用刀刮或用钢丝球擦,其依然具有超疏水性。这意味着稳定性和超疏水性可以共存。

图 | 王德辉

鱼和熊掌可以兼得

所谓超疏水,顾名思义就是超级疏离水的意思。夏日湖边,荷叶上的露珠滚来滚去却不会打湿荷叶,正是常见的超疏水现象。

但是,把荷叶表面那层白色薄膜清理掉,露珠就无法继续滚来滚去。这是为什么?

用显微镜观察可知,荷叶表面由很多乳突构成,这些乳突让水滴在荷叶表面上形成 160° 以上的接触角和约 2° 的滚动角。

显微镜还发现,乳突由纳米结构分支组成,而在荷叶的下层表面同样发现了纳米结构。

总结来说,只有在微纳米结构创造出大于 150° 的接触角和低于 10° 的滚动角,水滴才能对荷叶“打而不湿”,这种特性就叫超疏水。

图 | 超疏水的荷叶和表面结构(来源:Google 学术《天然超疏水生物表面研究的新进展 – ?高雪峰》)

同样拥有超疏水特性的还有蝉。如下图所示,水滴在蝉翼表面是圆球状,右侧图片则是蝉翼表面的纳米结构。研究发现,蝉的超疏水性能让它可以具备自清洁能力,从而保障其飞行。

图 | 超疏水的蝉翼和表面结构(来源:Google 学术《天然超疏水生物表面研究的新进展 – ?高雪峰》)

一般来说,当水滴和表面形成的接触角大于 150°以及滚动接触角小于 10°,就能满足超疏水的条件,这时的水滴就已难以在表面上停留。

图 | 液体和固体表面的接触角示意图(来源:维基百科

此前,学术界在增强超疏水表面的机械稳定性时,主要用到两种办法:第一种是在纳米材料下面,引入一层高分子粘结层,但表层的纳米结构,仍然稳定性不足;

第二种办法是把纳米结构做得非常厚,刮掉一层还有一层,但这并不能解决根本问题,关键是材料本身的稳定性能要强。

为增加超疏水材料的稳定性,王德辉和团队分两步走,一方面用微结构来提供机械稳定性,另一方面用纳米结构来保证超疏水性,即把同一个材料的两个特质分开来做。

最终的结果如视频所示,这是王德辉做的超疏水陶瓷片,用刀刮、用改刀刻、用钢丝球摩擦后的陶瓷片,依然可以让水珠直接滚走。陶瓷被反复 “蹂躏” 后,依然具有超疏水性,说明该课题组的材料实现了稳定性和超疏水性的共存。

积极推进应用

王德辉告诉 DeepTech,他们的超疏水材料可以应用到生活中的方方面面。试举几例:

其一,低黏附力,让你喝酸奶不用再舔瓶盖。

舔瓶盖是喝酸奶的一种仪式感。但你是否想过,为什么酸奶总会沾在瓶盖上?为什么酸奶底儿总是倒不出来、让人感觉好浪费?

这是因为当前的酸奶瓶材料过于普通。由于超疏水材料具备低黏附力,用它来做酸奶瓶,酸奶盖再也不会沾上酸奶,酸奶瓶子也将实现不挂壁。试想,喝酸奶和喝水一样顺滑,是不是省时又省力?

据王德辉介绍,他们课题组正在利用可食用超疏水材料,来制作酸奶包装。预计这种酸奶盒最快将于 2020 年推出。届时,滚来滚去怎么都不沾的酸奶,将会成为现实。

他还举例称,吃火锅用的蚝油等也可以装在超疏水材料做的袋子或瓶子里,笨重的蚝油就能 “pia” 地倒出来。

其二,自清洁力,让太阳能发电更高效。

此次论文一经发出,就有摄像头厂商联系到王德辉所在的课题组。因为灰尘和下雨,室外的监控摄像头镜头就会越来越脏,从而影响拍摄效果。如果摄像头是超疏水材料做的,无论是灰尘还是雨滴,都不会耽误摄像头继续拍摄高清画面。

被同样问题所困的,还有安装在室外的太阳能电池,由于落灰或粘附其他脏东西,每月可导致的发电效率最高损失 50%。

王德辉称,使用超疏水材料做的太阳能电池板则能长期维持高效率的发电 ,并能节省人工擦拭的费用,以及擦拭时使用的淡水资源。

具体研究中,课题组还与汉能集团何博博士带领的团队合作,完成了自清洁太阳能电池相关的测试实验。

其三,干燥性强,冬天车窗不再怕哈气。

如果你经常开车,肯定会在冬天发现,稍微对着车窗呼吸,窗子就会起雾。如果使用超疏水材料做车窗,本身就是小水珠的哈气,就会迅速从车窗滚走,从而避免影响视线。

这种车窗,在雨天同样非常适用。车窗的雨滴如果不能迅速处理,就会更加影响视野,而超疏水材料做的车窗就能让雨滴快速滚走。

事实上,超疏水车窗贴膜在国内电商网站已经可以买到,但这种贴膜被雨刷器刮擦很多次之后就会把贴膜刮坏,然后超疏水性能就会消失。

稳定性低导致这种车膜没能大面积普及,同时这也是当前超疏水材料面临的主要痛点,而王德辉的创新正是为该痛点而生。

打破行业技术瓶颈

王德辉的导师邓旭之前在国外工作一直研究材料学,2015 年回国后,王德辉成为他的第一届学生。最初定的课题并不是超疏水材料,但由于首次课题失败,团队不得不另谋课题。

2017 年夏季,超疏水材料课题立项。2020 年 6 月,课题研究论文发在《自然》上,这也是电子科技大学首篇以第一作者和第一单位身份登上《自然》杂志的论文。

从最初的试错到最终斩获杂志封面,读博期间的王德辉把大量时间都倾注在超疏水材料上。

然而,论文发布也并非一帆风顺。在进入审稿阶段时,王德辉并未把材料拓展到各种材料表面,也没有把结构拓展到三边形和六边形,同时也还没做太阳能电池板的应用。但是《自然》杂志的编辑对他的工作很感兴趣,于是让审稿人提出一些意见。然后,王德辉根据反馈意见补数据,这一补,就用了五个月。

课题研究过程中最大的难处在于,如何把超疏水材料做到玻璃等普适性材料上。但王德辉想的是,木板、金属和陶瓷是不是也可以?

因为只有使用在更多材料上,才能更广泛地应用到社会中。最终,他们拓展到了金属、陶瓷、玻璃、高分子等普适性材料上。

就技术本身,王德辉所在课题组已经申请了专利。后续,课题组希望把超疏水材料做大面积的制备。

图 | 课题组

农村娃的逆袭

谈及个人发展,王德辉计划留在电子科大,继续跟着邓旭教授工作。发这篇《自然》封面,对于 32 岁的王德辉来说,堪称是农村娃的逆袭。

他从小生长在四川省宜宾市叙州区泥南镇的村里,为了他上学,父母再穷也没有出去务工。上小学时,王德辉一直都是前几名,初中时还得过物理竞赛省级三等奖。

本科时,他在四川农业大学读书,还曾做过学校科学协会的分会会长,当时带着十几个人,下乡卖玉米种和水稻种,前前后后卖了三次,本科时期有一半的生活费,都是靠做这些杂事。

大三时,王德辉申请到国创实验,随后开始一门心思研究材料。读研时,由于调剂,他来到陕西师范大学读书,几年后又兜兜转转回到四川读博士。

2017 年,刚开始做超疏水课题时,他跟朋友说可能要发一篇影响因子较高的论文,朋友当时还觉得他在吹牛,如今吹过的牛成为现实。

对于这位得意门生,邓旭表示课题本身比较有挑战性,即便做了也有可能竹篮打水一场空,但王德辉很有信心,也愿意沉下心来做实验,所以才有今天的成就。

采访当晚,DeepTech 原本希望晚上 8 点开始,但王德辉得先回家带娃,遂把时间延后到 9 点。研究生期间就成家的他,已经是三岁娃娃的父亲。作为四川人,他也做得一手正宗川菜,经常晒厨艺,还曾发朋友圈喊话“老婆,来吃啦”。

就是这么一个朴实人,拿下了《自然》封面,每年中国都会在《自然》发不少文章,但能拿下封面者寥寥无几。

对于发封面后,网友质疑“给了多少钱”,王德辉表示很委屈,也觉得有点荒唐。邓旭则表示不必过多回应,走好自己的路就行。

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