加拿大Simon Fraser大学于化忠教授课题组《Nat.Commun.》：在超疏水涂层的简化制备和广范应用上取得新进展

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我们在赞美莲花“出淤泥而不染”这一特性时候，应该也会注意到与之衬托的荷叶是洁净而防水的。这是由于荷叶表面具有纳米尺度的粗糙形貌以及疏水的蜡质表层；这种特殊的结构使得在水滴和荷叶表面之间有很多微米尺度的空气泡驻留，水滴不仅无法将表面润湿，而且会收缩成圆球极易滑落。像荷叶这样完全防水的表面性质就是所谓的“超疏水特性”。具有超疏水性质的涂层材料的应用场景很多，包括衣服自洁净、建筑外墙防水、玻璃防雾等，因此其市场规模及潜力具大。然而目前市场上销售的（超）疏水涂层产品有如下缺点：1. 疏水性偏低，耐磨性和化学稳定性差；2. 原材料一般含氟，生产及应用都会对环境产生影响；3.生产成本高，大规模生产及应用不现实。而在科研方面，每年都有很多的超疏水的涂层材料见诸报导，并且绝大多数涂层都被宣称其疏水性能非常优异。但由于制备工艺复杂，适用范围较小，使用操作麻烦等原因，绝大多数科研成果在实际生产过程中都会存在一系列难以克服的问题，最终不能转化为工业产品。这也导致目前市场上可选择的超疏水涂层非常之少。

针对目前超疏水涂层存在的问题，加拿大Simon Fraser大学于化忠教授团队开发了一种全新的超疏水涂层的制备技术。该涂层基于化学计量学控制的有机硅化合物的水解和聚合反应，直接形成具有较小的表面张力的、多级结构的微纳米颗粒（图1）。

图1：利用化学计量学控制有机硅烷的水解和聚合反应制作超疏水涂层。基底为处理过表征载玻片。

相比较目前商用及其他科研报导的超疏水涂层，本材料的制作和性质具有以下特点：

• 1. 超简化制备：本涂层采用工业上大规模生产的有机硅化合物作为原料，在常温常压下普通机械搅拌即可完成，并且反应本身高效、可控。

• 2. 超稳定性能：使用本涂层的玻璃基片在实验室条件下经过沙砾冲击、自来水冲洗、长时间浸泡、砂纸研磨等处理后仍具有超疏水性；木板喷涂后放置于普通环境中，实测超疏水性能可保持一年以上。

• 3. 超自洁净作用：水滴在表面成圆球状，在材料微微倾斜的情况下迅速滑落，并轻易带走表面灰尘。

• 4. 超广谱适用：本涂层已经在木材、玻璃、棉布、滤纸、铝片、塑料等材质表面测试，可采用最方便的浸泡或者喷涂的方法处理材料表面 （图2）。

图2. 在不同基底表面形成超疏水涂层及表征。

于化忠教授团队长期关注传统硅烷化反应在表面化学和生物芯片方面的应用。前期的工作包括通过混合长链和短链硅烷与普通实验室用滤纸进行反应，制成超疏水、可修饰的芯片基底。和太原理工大学李晓春教授团队合作，通过光刻的方法，简易制作点阵式纸基芯片用于环境样品的酸碱度和污染物的定量检测(图3)。在此基础上，于化忠教授的研究团队将上述方法也用于修饰玻璃纤维滤纸，以制作没有荧光背景的超疏水基底，用于制备更为广泛使用的荧光扫描为检测手段的芯片和器件。

图3. 混和硅烷反应制作超疏水滤纸及表征。

以上相关成果分别发表在Nature Communications (Nat. Commun. 2021, 12, 982) 和 ACS Applied Materials and Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 39728; 2020, 12, 7665)上。论文的第一作者为Simon Fraser大学化学系博士生张立身，目前在加拿大女王大学进行博士后研究工作。通讯作者为于化忠教授，第二篇文章的共同通讯作者为太原理工大学的李晓春教授。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21219-y

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08957

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b17432

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