中科院理化所王树涛研究员、孟靖昕研究员团队 Giant ：基于仿生界面材料的持续抗垢新进展

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近年来，向自然学习，研发具有减少沉积物(如冰、蜡和水垢)的仿生界面材料受到了人们的极大关注。其中，减少材料表面的水垢沉积仍是一大难题，长时间沉积水垢会引发诸多危害，如能源浪费、管道堵塞。在本综述中，首先介绍了基于合适的介质（如空气、油和水）作为屏障层的仿生界面设计最新进展。然后，总结了抑制矿物晶体成核和粘附的相关理论以及如何提高屏障层稳定性的策略。最后，提出了开发先进的防垢界面材料的挑战以及解决思路。因此，在全球节能减排的大趋势下，发展具有持续抗垢的仿生界面材料，对于缓解目前能源短缺和促进双碳目标的实现具有重要意义。

水垢通常会从含有无机离子的水体介质中结晶析出，从而进一步沉积，因此结垢问题普遍存在于日常生活、工业生产、甚至医疗领域，严重影响了生活用水质量、经济发展及医疗健康。然而，传统的机械除垢需要借助大量的外部条件（如机械力、电力以及磁场）；化学防垢会对水体产生污染，因此亟需发展先进的抗垢表面满足高效环保的抗垢需求。仿生界面材料可以借助屏障层，有效地抑制水垢的结晶，降低水垢粘附，这将为开发先进的抗垢表面提供广阔的发展前景，向高效、可持续方向不断创新。

近年来，对自然界一些特殊现象的发现和理解，激发了人们对仿生防污表面发展的无限兴趣。如图1，具有防污特性的众多仿生材料得到了广泛的研究，其灵感来自于自然界中独特的植物(如荷叶、猪笼草和海藻)和动物(如鱼鳞、珍珠壳和蚯蚓)。

图1. 天然防污实例的设计原则及对应仿生表面的应用。

先进的防垢界面材料可分为三类:空气层介导的超疏水表面、油层介导的润滑面和水层介导的超亲水表面。进一步通过结垢所带来的危害（效率降低、能量损失、成本增加、管道堵塞、设备故障和健康威胁），说明解决结垢问题的必要性和紧迫性。（图2）

图2. 仿生防垢表面的界面设计策略及水垢沉积带来的危害。

空气层介导的超疏水表面：随着抗垢超疏水表面的不断发展，从基本的利用空气层，到引入纳米颗粒增强耐磨性或是引入抗垢剂增加长效性（图3）。

图3. 超疏水表面防垢机理。(a)超疏水表面的气膜可以防止水垢与溶液的直接接触。(b)阻垢剂(EDTA)的加入可以在溶液/涂层界面与Ca²⁺螯合，抑制CaCO₃结晶。

油层介导的润滑表面：依据不同保留润滑剂层的方式，将抗垢润滑表面分为液体灌注表面和类液体表面。（图4）。

图4. 润滑表面防垢机理。(a)液体灌注的油屏障可以抑制矿物成核，降低水垢粘附。(b)聚合物刷的动态类液态特性可以降低基底与水垢之间的亲和力和有效界面相互作用，抑制成核。

水层介导的超亲水表面：依据作用机理不同，将其分为了利用水合层和借助超亲水性和流体运动的纳米纤毛。（图5）。

图5. 超亲水表面防垢机理。(a)超亲水水化壳层、带电基团及官能团的协同作用实现抗垢：水合壳可以稀释接近的盐溶质浓度，带电基团会保护表面免受矿物离子的入侵，羧基能抑制水垢结晶。(b)超亲水纳米毛可以借助纳米毛的流体辅助运动，减少水垢沉积。

当矿物溶液接触表面时，可以观察到两种现象:界面成核和矿物粘附。为了进一步阐明结垢能力的深层次机理，讨论了引入屏障后对这两个方面的影响。（图6）。

图6. 从抑制界面成核和减少粘附两个方面阐明防垢机理。(a-b)在盐溶液中，引入隔离层可以提高矿物晶体界面成核的能垒。(c-d)在水下，引入阻隔层可以降低矿物晶体与表面间的粘附功。

屏障层在防结垢中的重要作用是显而易见的，所以对屏障层的稳定性和耐久性提出了更高的要求。针对不同介质的屏障层，我们提出了不同的稳定策略，以期使表面具有更长效的防垢性能。（图7-9）。

图7. 稳定空气层策略。(a)仿生结构：受自然界动物启发，制备具有保持空气的仿生界面。(b)保护策略：微米盔甲可以对超疏水纳米结构进行保护。(c)自愈合：涂层损伤后借助疏水偶联剂的迁移，恢复超疏水性。

图8. 稳定油层策略。(a)内部释放：通过释放内部储存的硅油补充表面流失的油层。(b)外部补充：通过外部喷涂的方法，补充表面流失的硅油。

图9. 稳定水层策略。(a)氢键：聚乙二醇及其衍生物通过氢键增强水合层。(b)静电相互作用：两性离子材料通过静电相互作用增强水合层。

最后，作者对仿生抗垢界面材料进行了总结和展望。虽然目前抗垢表面能实现良好的抗垢性能，但是提高表面屏障层在复杂环境下的稳定性、耐久性是该领域未来研究的重点。此外，高导热材料也有望与高效阻垢的先进界面材料相结合，将有助于在工业生产中发挥重要作用，为缓解能源损耗、助力双碳目标提供新途径。

本文第一作者为中国科学院理化技术研究所2018级博士研究生王仪萱，本文通讯作者为中科院理化所孟靖昕研究员和王树涛研究员。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666542522000273?via%3Dihub#!

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