具有微/纳结构表面的超疏水涂层在防污、自清洁、防冰以及重防腐领域有着重要应用。表面微纳粗糙结构和材料表面低表面能是涂层超疏水特性的两个关键因素。但是，在实际应用过程中，材料表面的微纳结构很容易因材料表面形变、摩擦等遭到破坏，从而使涂层丧失超疏水特性。如何构筑机械性能稳健、使用寿命长的微纳超疏水涂层表面一直是该领域的难点问题。
近日，日本国立材料科学研究所（NIMS）Yoshihiro Yamauchi和Masanobu Naito教授研究团队受刺鲀（porcupinefish）皮肤表面微结构启发（下图a），以四角ZnO和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材（下图b），巧妙构筑了高性能仿生超疏水材料。基于ZnO微纳结构结合PDMS的橡胶弹性，该复合材料展现出优异的耐磨、耐刮擦、耐水滴冲击、可切片/弯曲/扭曲等性能。1000余次磨损及弯曲测试后其表面可维持稳定的超疏水特性。
“刺鲀”型超疏水材料结构组成及性能展示。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
通过将含有微米级四角ZnO和PDMS的乙酸乙酯悬浮液喷涂在基底表面，溶剂挥发后形成多孔网状结构材料。研究人员采用SEM及EDX对材料表面形貌及元素组成进行了详细的表征分析。同时，复合体系中ZnO的掺杂量（r =WZnO/(WZnO+ WPDMS) (g/g)）对材料表面粗糙形貌以及疏水特性有着重要影响。当r = 0.5时，材料表面疏水性达到饱和值（水接触角>150°）且材料保持较高柔性。
ZnO掺杂量对复合材料形貌及性能的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
该复合涂层材料采用喷涂技术能够在玻璃、金属、纸张、橡胶等不同材质基底实现简便构筑，适用范围广泛。不同基底所制备的复合涂层表面皆呈现优异的超疏水和耐水滴冲击性能。此外，借助简单的模塑等方法可实现各种形状自支撑块体超疏水材料的大面积制备，材料基体的孔隙率及孔径分布可通过ZnO掺杂量进行精细调控。
复合涂层可构筑于不同材质基底。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
基于块体复合材料基体结构的均一性，该复合材料多次切片生成的新表面仍然能够维持其超疏水特性。此外，刮擦实验以及1000余次的磨损实验对材料表面形貌影响不大，材料表面超疏水性能均未呈现明显衰减，展现出卓越的机械强度。
复合材料耐磨性等性能测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
在复合材料柔性方面：基于PDMS弹性橡胶基体的存在，复合超疏水材料在1000余次的大幅度弯曲、扭曲等测试后，材料表面未产生裂纹等缺陷，保持良好的完整性和表面超疏水特性。
复合材料柔韧性测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
总结
受到“刺鲀”外形的启发，研究者实现2D超疏水涂层及3D超疏水多孔材料的简便制备。该研究成果解决了传统超疏水表面微纳结构易损耗，涂层或材料使用寿命短的问题；为其他柔性功能涂层的设计提供了思路。同时，该新型复合超疏水材料兼具优异的机械性能和柔韧性，可广泛应用于防冰涂层、防污涂层等领域。
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Durable and Flexible Superhydrophobic Materials: Abrasion/Scratching/Slicing/Droplet Impacting/Bending/Twisting-Tolerant Composite with Porcupinefish-Like Structure
Yoshihiro Yamauchi, Mizuki Tenjimbayashi, Sadaki Samitsu, Masanobu Naito
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32381-32389, DOI: 10.1021/acsami.9b09524
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