摩方精密3D打印模具翻模制備，電子科技大學(xué)仿生自適應(yīng)超疏水表面的設(shè)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(jī)為例，當(dāng)它在水面滑行時，流體阻力會嚴(yán)重限制其滑行速度；當(dāng)飛機(jī)脫離水面時，水粘附在底部又形成極大的拖拽力，導(dǎo)致飛機(jī)的最大起飛重量難以進(jìn)一步提升。因此，減小飛機(jī)在滑行過程中的流體阻力和脫離過程中的水粘附是進(jìn)一步增加兩棲飛機(jī)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(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院鄧旭教授、王德輝教授團(tuán)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(yīng)形變及其表面獨(dú)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(jìn)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(jìn)高模量微結(jié)構(gòu)形變響應(yīng)，有利于形變后的氣層恢復(fù)，使固—液粘附力始終保持在較低水平。基于上述原理，研究團(tuán)隊發(fā)展了仿生自適應(yīng)超疏水表面的設(shè)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(xué)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(yīng)超疏水材料為進(jìn)一步提升兩棲飛機(jī)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(shè)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(jī)制的協(xié)同作用。

圖3. 仿生自適應(yīng)超疏水材料的應(yīng)用探究。

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