高表面张力液体，超疏水的表面设计

原创博科园科学科普天文物理

在材料科学中，强烈排斥低表面张力液体的表面被归类为“超疏油”，而高表面张力液体驱避剂是“超疏水”，而同时具有这两种特性的表面则是“超全疏水”。超全疏水性表面在众多应用领域中处于表面设计的前沿。在一项新的研究中，J. R. Panter和在英国，美国物理系以及Procter and Gamble Co的同事开发了一种计算方法，系统地开发了三种关键的表面润湿性。这些包括接触角滞后、临界压力和最小能量润湿屏障。

在这项研究中，科学家们建立了定量模型，并纠正了现有模型中不准确的假设。科学家们将这些分析结合起来，证明了该策略在膜蒸馏和数字微流体应用中优化结构的能力。通过对润湿性的拮抗耦合，科学家们实现了一个多层面的方法来优化设计超疏水表面

促进了有效的优化速度高达10000倍，这项研究结果现在发表在《科学进展》上。超疏水表面具有物理的微观和纳米结构，允许低表面张力的液体(油和醇)悬浮在充满蒸汽的表面结构上。这种液体脱落能力可以提高低粘滞阻力的液滴迁移率，具有广泛应用领域的转化潜力。

这些技术包括水净化的可持续技术、生物医学的抗菌战略、反指纹涂层技术、减少食品浪费和全球范围的通用生化技术。在微加工方面的突破使复杂结构形成在微米尺度的分辨率，包括三维(3-D)打印技术，流化聚合物微柱和光蚀刻方法。尽管有这些高度通用的技术，材料科学家和物理学家仍然试图了解如何精确地设计表面结构，以便在实际应用中获得最佳性能。

一个成功的全疏水设计必须具备三个关键润湿特性，包括：

(1)最大液体流动性的低接触角，

(2)超疏油状态稳定的高临界压力，

(3)防止失效的高能屏障。由于曲面设计的复杂性，将计算和实验研究结合起来理解这一基础可能是昂贵和费时的。

在目前研究中，克服了设计超全疏水润湿性能的挑战，首先设计了计算策略来理解结构参数对定义的三个标准影响。为了说明多方面优化的重要性，研究人员使用了两个相关的例子，通过膜蒸馏和基于水滴的数字微流体净化水。

科学家们开发了一种遗传算法，可以有效地同时进行优化，速度可达10000次。这种多用途的方法可以与复杂表面微加工技术的最新创新相结合，为表面设计提供一种革命性的方法。科学家们首先模拟了沿单排表面结构前进和后退的液汽界面，得到了各自的接触角和接触角滞后(CAH，即，前进和后退接触角的差值)。将可变维度排列在一个正方形阵列中，并观察到可重入几何和双重入几何(具有非常低的液固接触分数的几何)滞后是相同的。

通过模拟，科学家们观察了四种主要的后退机制，并在目前研究中对它们进行了描述和建模。随后，利用新模型对之前研究中提出的后退模型进行定性检验，验证其准确性。分析了能量的变化，得到了后退变得积极有利的角度，形成了最佳后退角度。与CAH的模拟不同，临界压力的第二个参数对可重入或双可重入表面几何形状很敏感。在临界压力研究中，科学家们观察到三种破坏机制，并将它们作为结构参数的函数进行量化，当将当前研究中的量化与模拟数据进行比较时。

发现，以往研究中引入的、普遍使用的临界压力模型被大大简化了。例如，对液-汽界面形态的描述不佳，导致所制造的结构比必要的小很多倍，而且在机械性能上也较弱。研究人员在本研究中开发了一个更为复杂的模型，不仅实现了临界压力的定量精度，而且成功地模拟了所需的复杂界面形貌。在研究最小能量转换机制的第三个参数时，科学家们确定了三种失效机制。例如，表面设计的失败可以通过一系列额外的扰动引发，包括流动、振动、蒸发、冷凝、液滴冲击、变化的电场和磁场或纳米尺度的热波动。

在实际应用中，故障可以由一系列扰动引起。为了制造出一种抗破坏的纹理，科学家们结合了最大能量通路(MEP)来考虑组合失败的最坏情况。确定了三个过渡路径(1)基触点(BC)，(2)柱触点(PC)和(3)帽触点(CC)，然后量化了结构参数空间中的每一个屏障，最后评估给定表面几何形状的最可能的能量转移机制。对确定的结构特征进行了同步优化，以最大限度地提高临界压力、最大限度地降低能量屏障和最大限度地提高CAH。

为此，对用于水净化和数字微流体的两种膜进行了优化设计，遗传算法可以有效地在参数空间中定位优化设计，并为特殊润湿性应用设计更复杂的结构。通过这种方法，科学家们开发了高度通用的计算技术，来研究任何与多种流体相接触的介观结构表面。该多面优化策略可以进一步改进，以提高可靠性和可扩展性，并结合先进制造技术，包括3d打印和平版印刷方法，以有效地设计现实世界的超疏水性表面。