仿生材料，Nature精读！
奇物论
2021-04-30
对荷叶的拒水性能的研究衍生一个研究领域，该领域旨在制造类似的“超疏水”表面。但是制造憎油的材料是非常困难的，因为憎油的材料会排斥油和水。Wong等人在《Nature》上发表题为“具有压力稳定的整体性的受生物启发的自我修复的光滑表面”的文章，该文章报道了一种用于制造憎水表面的全新方法，该方法的灵感来自植物家族的另一个成员：食虫的捕虫笼。在1990年代使用扫描探针显微镜检查荷叶时发现，荷叶的这种疏水能力是由于叶子的表面微观结构所致：每片叶子上都覆盖着称为乳头状小突起。当表面被水弄湿时，就会形成所谓的固-气-液复合界面，其中水会滞留在乳头之间的空气囊上方（图1a）。这大大减少了固体与水的接触面积，从而使水滴形成几乎完美的球形，并易于在表面上滚动，从而能够自动洗去表面的灰尘。这种超疏水行为通常被称为荷花效应。
目前，已经提出了将表面粗糙度与水润湿性联系起来的不同模型，包括Cassie-Baxter模型（描述了三相固-气-液复合界面；图1a）和Wenzel模型（调用了更简单的两个模型）。Cassie-Baxter模型解释了超疏水性，并帮助开发了构造不同材料表面以模仿荷花效应的技术。这些材料可用于摩擦学领域（摩擦，磨损和润滑的研究）以及其他工程领域。制作超疏水表面是一项挑战，但要制造出排斥有机液体（如油）的疏油表面则要困难得多。这是因为油分子是非极性的，并且表面能比极性水分子低得多。因此，油滴在固体表面上形成球状在能量上是不利的。疏油性和疏水性的疏油性表面在许多应用中都是非常理想的，例如，它们可用于防止灰尘积聚在光学设备上或防止微米级设备中的移动部件相互粘附。以前的制造疏油表面的方法涉及复杂的表面几何形状的设计，以防止油渗入微观结构的隆起之间的谷中。本文提出了一种新方法，该方法受到食虫的猪笼草的表面的启发。这种植物利用光滑的水润滑表面捕获猎物，而在叶片边缘表面上踩踏的昆虫会滑到底部的消化液中。因为润滑剂形成了一层连续的薄膜，可以驱除昆虫脚上的油脂。尽管表面具有微观结构，但它们是不规则的（与荷花形表面不同），仅用于将润滑剂固定在适当的位置。作者通过制作海绵状材料并向其中填充润滑液来模仿该植物的表面，从而形成光滑的注液多孔表面（SLIPS）。当另一种液体的液滴滴在该材料上时，就会形成固体-润滑剂-液体的复合界面（图1c）。润滑剂在荷花作用中具有与气穴相似的功能，但它也可以形成连续的膜，类似于在植物表面上的膜。与模仿荷花的材料不同，SLIPS可以疏油，并且润滑剂的存在意味着表面的摩擦非常低。实际上，通过选择与水和油均不混溶的润滑剂，作者制备了具有极好的全憎性的SLIPS。更重要的是，SLIPS可以承受高压、耐磨损，甚至在受到轻微损坏的情况下也可以自我修复，与模仿莲花的材料相比，所有这些都是优势。SLIPS的发展代表了两个热点，这两个热点可能会在未来几年中主导仿生和功能性表面领域。1）首先是将自修复、自润滑和自清洁功能集成到表面中。摩擦和磨损通常被认为是能量耗散和材料劣化的原因。但在某些情况下，它们可能导致界面处的秩序增加，这可以构成上述功能的基础，也就是SLIPS的情况。当SLIPS中的多孔材料因磨损或撞击而损坏时，多种作用（化学势、浓度和压力梯度）的组合有利于润滑剂向表面的运输，从而恢复了材料的自润滑性和自清洁性能。2）第二个热点是，粗糙表面的润湿可能比两相Wenzel模型或三相Cassie–Baxter模型所预测的复杂。实际上，目前研究人员已经确定了涉及多种成分（固体、油、水、润滑剂、空气等）的多相界面，它们对诸如水下疏油性等新应用显示出巨大的潜力。本文提出的SLIPS结构不仅具有根本意义，而且还可能用于开发许多新材料，例如在生物医学设备中、或者作为防止表面结冰或结垢的涂层。 当前，SLIPS的主要弱点是它们的耐用性，这受润滑剂在孔中停留多长时间而不会蒸发或泄漏的限制。另一个问题是，润滑剂的化学性质受到严格限制：它们必须与水和油不混溶，但它们也应渗入基础材料的孔中。作者对这些问题的初步研究令人鼓舞，但是在应用于实际之前还需要进行其他研究。Michael Nosonovsky, Slippery when wetted, Nature, 2011Tak-Sing Wong et al., Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity, Nature, 2011
