极端条件实现超疏水！最新疏水理论，创造奇特疏水表面

来源：高分子科学前沿

飞机积冰是指飞机穿过含有过冷却水滴的云雨层中，当机体表面温度小于0℃时，机身表面积聚冰层的现象。其主要由云中过冷云滴或降水过程中的雨滴与机身碰撞后冻结而形成，或直接由水汽在机体表面凝华而成。目前对于飞机积冰的处理一般有2种，一是开启防冰系统；二是加强积冰监测。但是却无法从根本上消除隐患，因此仍然是飞行者的一大心病。若是能将飞机表面同样设计成超疏水结构，想必这个困扰许久的难题便能迎刃而解，无奈总是理想很丰满，现实很骨感，对于高空飞行这样类似的极端天气，目前很少有相关工作研究偏离标准大气条件时对超疏水表面的抗湿性能影响。对此，苏黎世联邦理工学院的Dimos Poulikakos等研究工作者结合相关物理学，发现了以前未曾探索的基于冷凝的穿刺机理，并有望借助新发现设计在极端条件下依然具有超疏水性能的材料。该工作以“Superhydrophobic surfaces for extreme environmental conditions”为题发表于《PNAS》杂志

为研究超疏水样品在极端环境条件下对冲击水滴的疏水性，研究人员合成了2种低表面能纹理涂层：单层粗糙度涂层、多层粗糙度涂层。图1分别显示环境压力（p）为95KPa/0.1KPa下液滴撞击多层超疏水表面的图像，全部参数如图1E所示，可以将水滴冲击分为3个区域：穿刺区、总反弹区和一个过渡区，并且环境压力对结果影响最大。

图1 不同大气条件下，液滴撞击具有多层表面结构的超疏水表面

为探索不同的刺穿机制，文章使用倒置显微镜和高速摄像机观察撞击过程中液滴-表面的相互作用。图2为水滴撞击单层超疏水表面扩散和反冲的图像（A：大气压/适度潮湿；B：中等真空/干燥；C：中等真空/潮湿）：3个不同环境条件下分别发生部分刺穿、液滴反弹与液滴刺穿，这2种情况的区别在于，在刺穿情况下，液滴弯月面穿透表面的环形区域更后暗，表明有更多的空气被排出（视频1）。

图2 低速冲击图像

视频一

低压低湿度下的穿刺机理

先前的工作提出的机理是水锤效应和撞击前液滴下方压力积累导致的液滴曲率增加。对于前者，中间空气层的存在可能减弱撞击时形成的任何冲击，而对于后者，去除空气层可以抑制液滴变形并防止刺穿，在减压下刺穿的可能性增加，但是并没有得到证实。为了阐明穿刺严重程度增加与环境压力降低之间的关系，图3显示，不同环境压力（p）下水滴冲击形成的凹痕深度不同，且差异非常明显，因此验证上述猜测。

图3  基于压力的穿刺机理分析

机理在手，办法全有

新机制的发现也为研究人员设计超疏水表面成为可能。研究人员在透明聚氨酯丙烯酸酯（PUA）微柱上喷涂含有疏水气相二氧化硅纳米粒子(HFS)的乙醇溶液，得到不影响微纹理整体形貌的均匀亚微米特征层，图4A显示，在中等真空/干燥条件下，液滴完全反弹，表明添加纳米纹理有助于减轻基于压力的影响；而在中等真空/潮湿条件下时（图4B），结果相似，证明该纳米结构有助于限制刺穿，实现超疏水。

图4  PUA微柱冲击图像

结论

文章阐明了在明显偏离标准大气条件环境下，液滴撞击超疏水表面的刺穿失效机制，确定低环境压力（P）时空气层的可压缩性导致冲击时夹带的空气量减少，从而导致液滴和水锤效应引起的压力（PWH）的缓冲减少，足以克服低韦伯数(We,惯性力和表面张力的比值)下的毛细压力。此外，研究人员发现了一种新的基于冷凝的撞击机制，该机制是在高水蒸气分压(pv)环境中，由于撞击前空气层的压缩和过饱和造成。

文章亮点与意义

尽管空气在赋予材料表面超水性性能上起着关键作用，但很少考虑大气成分如何影响材料表面排斥撞击液滴的能力。文章发现，压力降低和湿度增加的环境条件都会显著降低上述性能；并通过撞击前对液滴下的压缩空气层进行热力学建模，揭示了一个从未报道的源于“纹理内凝结”产生的表面破坏机制；以理论基础为向导，证明添加适当比例的纳米结构，有利于减轻极端环境条件下的不利影响，并期待这种新性质用于交通运输等设施应用，将疏水性能从标准大气条件下扩展到极端环境。