顆粒在線訊：近年來，超疏水表面因其優(yōu)異的性質(zhì)，在化工、生物、醫(yī)療、新能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的超疏水表面制備方法往往需要使用合適的有機溶劑和表面改性的特殊儀器，例如蝕刻機、納米壓印機等。然而有機溶劑的使用對環(huán)境和人體健康有害，特殊的改性儀器限制了超疏水表面在受限環(huán)境和精細表面上的制備和應(yīng)用。因此，在復(fù)雜條件下、水環(huán)境中制備超疏水表面仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授團隊提出了一種不使用特殊儀器、在水環(huán)境中通過表面引發(fā)乳液聚合的方法，在表面將含氟單體納米液滴轉(zhuǎn)化成固體微粒，從而成功制備出超疏水表面。該表面不僅具有良好的超疏水性、穩(wěn)定性和防污性能，而且可以通過控制反應(yīng)時間和單體液滴密度獲得不同疏水性的表面。

基于此，具有疏水性梯度的超疏水表面也在單體-水乳液體系中被成功制備。相關(guān)工作以“Fabricating Tunable Superhydrophobic Surfaces Enabled by Surface-Initiated Emulsion Polymerization in Water”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。龔露博士為該論文第一作者。

超疏水表面表征和性質(zhì)

制備的超疏水表面在空氣中具有很大的接觸角和很小的接觸角后滯現(xiàn)象。如SEM和EDS圖所示，超疏水表面分布有大量含氟的固體納米微粒，同時固體微粒聚集成微米級別的結(jié)合體，從而使表面獲得優(yōu)異的超疏水性。因含氟表面有極低的表面能，該表面還擁有較好疏油性。表面水洗實驗和水滴表面力測力實驗證明該表面具有良好的表面防污性能。

圖A為超疏水表面制備流程，圖B為超疏水表面，圖C為空氣中水接觸角，圖D為前進和后退接觸角，圖E為超疏水表面浸沒在水中。

圖A、B為超疏水表面的SEM圖，圖C為超疏水表面的氟元素分布EDS圖，圖D為各種有機溶劑在超疏水表面的接觸角。

圖A為水滴洗去超疏水表面的固體，圖B、C、D為含表面活性劑或生物質(zhì)的 水滴與超疏水表面的作用力測量。

超疏水表面制備過程

通過控制乳液體系中單體液滴濃度和反應(yīng)時間，不同疏水度表面可以被制備出來，而較高單體濃度體系和較長反應(yīng)時間是制備超疏水表面的必要條件。

圖A、B、C為高單體液滴濃度下不同反應(yīng)時間后制備的表面，圖D、E、F為低單體液滴濃度下不同反應(yīng)時間后制備的表面。

同時，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)單體液滴在水中分散不充分，液滴較大時，制備的輸水表面會出現(xiàn)擁有三條棱脊的殼層結(jié)構(gòu)；而當(dāng)單體不分散，直接滴在基底上時，則會得到一層含氟的高分子薄膜。上述結(jié)果證明了在反應(yīng)過程中，聚合反應(yīng)只發(fā)生在單體-水界面。當(dāng)單體液滴體積較小時，整個液滴可以轉(zhuǎn)化成固體；當(dāng)液滴較大時，則只有界面處會發(fā)生聚合反應(yīng)，其內(nèi)部依舊是液體形態(tài)。

圖A、B、C為較大單體液滴情況下出現(xiàn)的殼層結(jié)構(gòu)，圖D為單體液滴與表面分開情況下制備的表面，圖E、F、G為單體液滴不分散情況下在表面形成的聚合物薄膜，圖H為表面引發(fā)乳液聚合法制備超疏水表面的示意圖。

基于以上結(jié)果，實驗通過重力場，構(gòu)建了單體液滴在水中垂直方向上密度分布的差異，從而得到了具有疏水性梯度的超疏水表面，該表面可以實現(xiàn)水下的氣泡定向運輸。

圖為制備具有疏水性梯度的超疏水表面以及水下氣泡在該表面上的移動。

該研究不僅避免了超疏水材料制備過程中溶劑和設(shè)備的限制，提供了智能材料制備的新思路，而且成功制備出了具有疏水性梯度的超疏水表面，擴展了超疏水材料的應(yīng)用范疇。

來源：高分子科學(xué)前沿