香港大学王立秋教授团队：热水超疏表面新突破
超疏高温液体不仅与包括换热器、油束碰撞、海水淡化和增材制造等许多工业过程相关，而且对我们的日常生活十分重要，如防烫衣物、防污厨具等。仅防烫伤言，我国每年有2600万人被烧烫伤，每天平均7万多人，其中婴幼儿是烫伤高危群体。在无任何遮挡的情况下，60度的热水接触皮肤5秒即可造成烫伤，71度以上的热水会在0.5秒内迅速造成烫伤。具备超疏热水性能的衣物可阻止热水透过织物和人体皮肤直接接触，从而实现隔热以阻止烫伤。然而，很多超疏水表面无法实现超疏热水，其困难主要来自于三方面：1. 表面物理结构或化学组分被热水破坏；2. 热水的表面张力更低；3. 水蒸气在表面上冷凝。
为实现超疏热水，王立秋教授团队提出了蜂窝状多孔表面结构设计（图1），可同时克服上述三大难题。通过微流控液滴模板法，团队制备了聚乙烯醇（PVA）多孔表面。交联后的PVA表面可在热水中保持结构的完整性，多孔表面的凹角结构可提供向上的毛细力以支撑低表面张力的液体从而阻止其润湿，通过控制微孔的尺寸可防止冷凝导致的表面润湿。
图1. (a-b) 孔状结构SEM图, (c-d) 针状结构SEM图, (e) 表面纳米涂层结构, (f) 表面纳米结构AFM图, (g) 孔状表面超疏热水示意图, (h) 针状表面被热水润湿示意图.
近年来，王立秋教授团队在多孔疏液表面领域已取得一系列重要进展。通过研究蒸发过程的微液滴自组装特性，提出了基于微流控液滴模板法进行大规模、尺寸均一、结构可控的多孔表面的制备 (Small Methods, 2018, 2, 1800017)；由于多孔表面的互连凹角特性，完美模仿了跳虫的表皮结构，该多孔表面解决了疏液性和机械强度之间鱼和熊掌的矛盾 (Nat. Commun., 2017, 8, 15823)；通过控制多孔表面上各向异性的结构特征，单一表面可实现在任意液体中超疏任意一种与其不相溶的液体 (Mater. Horiz., 2018, 5, 1156-1165)。研究团队在本工作中进一步证明多孔表面具备超疏热水的优异性能。
自然界中常见的超疏水表面多由离散的微纳米结构（颗粒状、针状、柱状等）组成，如著名的荷叶表面。这类表面的优点是具有很小的固液接触面积，从而具备优异的超疏水性能（接触角大、滚动角小），但是其机械性能和疏液稳定性较差，超疏热水性能不理想。研究团队提出的多孔表面与此类表面相反，其连续的孔状结构具备更高的机械性能和疏液稳定性，从而具备更好的超疏热水能力。团队通过对比静态和动态热水液滴在孔状和针状表面上的润湿特性，证明了连续孔状表面具有更加优异的超疏热水性能（图2）。
图2. (a) 针状表面静态热水液滴接触角, (b) 孔状表面静态热水液滴接触角, (c) 针状表面动态热水液滴连续碰撞, (d) 孔状表面动态热水液滴连续碰撞
热水超疏的能力与三个时间尺度相关：热水液滴的蒸发时间te、热水液滴与固体表面的接触时间td和水蒸气的冷凝时间tc。对于静态和动态热水液滴，只有分别当te<tc及td<tc时表面才不会被润湿，从而具备超疏特性。研究团队通过理论建模，分别确定了三个时间尺度的解析表达式，从而可预测特定结构和尺寸的表面是否具备超疏热水特性，并可用于优化表面设计。
实验发现，相较于针状表面，孔状表面由于具备超疏热水特性，从而具有更好的隔热效果，有望用作保护层实现防烫衣物的设计和制造。同时，该表面还可用于数字微流控技术，作为液滴微反应器的衬底表面进行放热化学反应（图3）。
图3. (a) HCl 和NaOH在针状表面进行中和反应, (b) HCl 和NaOH在孔状表面进行中和反应, (c) 中和反应时针状表面出现大量气泡, (d) 中和反应时孔状表面气泡几乎不可见, (e) 中和反应时的温度分布(上：针状表面；下：孔状表面)
相关工作以“Topography-Directed Hot-Water Super-Repellent Surfaces”为题，近期发表于《Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.201900798)上。博士后朱平安是该论文的第一作者，王立秋教授是该论文的通讯作者。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900798
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
关注高分子科学技术 👉
长按二维码关注
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina
（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
这里“阅读原文”，查看更多