摩方精密3D打印模具翻模制備，電子科技大學仿生自適應超疏水表面的設計策略

來源：電子科大官網(wǎng)

跨介質(zhì)航行器具備在水下（面）和空中作業(yè)的能力，然而這類航行器在作業(yè)時不得不面臨水的阻力和粘附問題。以水陸兩棲飛機為例，當它在水面滑行時，流體阻力會嚴重限制其滑行速度；當飛機脫離水面時，水粘附在底部又形成極大的拖拽力，導致飛機的最大起飛重量難以進一步提升。因此，減小飛機在滑行過程中的流體阻力和脫離過程中的水粘附是進一步增加兩棲飛機起飛效率所面臨的挑戰(zhàn)之一。

超疏水技術(shù)為上述挑戰(zhàn)提供了一個理想的解決方案，其表面微納結(jié)構(gòu)與低表面能相結(jié)合，使液體穩(wěn)定地停留在微結(jié)構(gòu)的頂部，形成低固—液接觸的Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，從而顯著降低水的阻力和粘附力。然而，超疏水表面在深水和流體沖擊條件下難以維持其超疏水性，僅能承受0.03-2.3m的靜水壓力，一旦失去超疏水性，其減阻和低粘附性能都將丟失。

針對上述問題，電子科技大學基礎與前沿研究院鄧旭教授、王德輝教授團隊觀察到水生植物大薸的葉片具有優(yōu)異的超疏水性，并展現(xiàn)出較好的抗水壓能力和低的固—液粘附，這一特性歸因于葉片絨毛狀微結(jié)構(gòu)的自適應形變及其表面獨特的內(nèi)凹幾何特征。在水壓作用下，這些微結(jié)構(gòu)會發(fā)生形變，通過增加固—液接觸面積來提升抗水壓能力；而內(nèi)凹特征提高了微結(jié)構(gòu)表面的臨界抗刺穿壓力，確保其在高水壓下進入形變抗壓模式。同時，內(nèi)凹幾何特征提高了微結(jié)構(gòu)的形變閾值，可促進高模量微結(jié)構(gòu)形變響應，有利于形變后的氣層恢復，使固—液粘附力始終保持在較低水平。基于上述原理，研究團隊發(fā)展了仿生自適應超疏水表面的設計策略，其抗水壓性能提高了約183%，受壓后的粘附力降低了約80%。該項研究成果以“Superhydrophobicity with Self-Adaptive Water Pressure Resistance and Adhesion of Pistia stratiotes Leaf”為題發(fā)表在國際知名期刊《Advanced Materials》上。2022級博士研究生邵慧娟為論文第一作者，鄧旭教授和王德輝教授為論文的共同通訊作者，電子科技大學為論文第一單位。

該超疏水表面結(jié)構(gòu)是由摩方精密nanoArch® S140 （精度：10μm）3D打印系統(tǒng)打印模具后經(jīng)兩次PDMS翻模制備而成。這種自適應超疏水材料為進一步提升兩棲飛機以及其他跨介質(zhì)航行器的作業(yè)性能提供了一種新的設計思路。

圖1. 植物葉片表面優(yōu)異的疏水和抗水壓性能。

圖2. 凹角結(jié)構(gòu)與變形機制的協(xié)同作用。

圖3. 仿生自適應超疏水材料的應用探究。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412702