近期，中国科学技术大学王海龙教授课题组在超疏水材料表面气液界面稳定性方面取得新进展，实验、理论分析与原子模拟表明次级微槽的凸度能稳定种子气层，并有助于浸没疏水表面的空气腹甲恢复，丰富了制备超疏水材料的分级几何设计理念。相关成果以标题为“Second-Level Microgroove Convexity is Critical for Air Plastron
Restoration on Immersed Hierarchical Superhydrophobic Surfaces”发表在ACS Applied Materials & Interfaces。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生韩效，论文通讯作者为中国科学技术大学工程科学学院王海龙教授和美国东北大学Moneesh Upmanyu教授，中国科学技术大学工程科学学院为论文第一完成单位，该研究得到国家自然科学基金的资助支持。
受人厌槐叶萍叶子的基底微槽与柱状突起的启发，该课题组用3D打印方法设计制备了次级超疏水表面结构，研究具有不同表面曲率的椭圆微槽对表面腹甲修复的影响。浸入实验表明，微槽凸曲率能稳定种子气体层，并促进浸入疏水表面空气腹甲的恢复。理论计算和原子模拟表明，从微米到纳米级，种子气层的稳定性和存储容量取决于微槽几何形状和外压。微槽凸度是超疏水表面次级结构的关键特征，能促进分级超疏水表面水下空气腹甲的修复。图1：单独微槽内种子气层的形成实验：(a)人厌槐叶萍叶子表面分级结构由带微槽的基底和打蛋器形状突起组成。(b) 带有悬浮水弯月面的浸入式微槽示意图。(c-f)椭圆形（左）和V形（右）微槽（蓝色）内种子气层（黑色）的共聚焦图像。图 2 分级超疏水表面结构的空气腹甲恢复实验。(a-b) 分级超疏水表面的圆柱突起与椭圆V形表面微槽的扫描电子显微图像；(c，d) 椭圆形微槽的成功空气恢复与(e，f) V形微槽不成功空气恢复，其中(c，d)为俯视图，(e，f) 为侧视图。图 3 准二维椭圆微槽内的种子气层形成：(a) 圆柱形微槽上液体弯月面自发形成的分子动力学模拟。浅蓝、浅红和灰色分别表示液体、气体和固体；(b) 接触线位置与微槽几何形状 b/a（上图）和外压 ∆pa/γLG（下图）的关系。线条和实心点分别代表理论解和原子模拟结果；(c) 不同液体接触角（θY）和外压（∆p）的切角α0；(d)以外压（∆pa/γLG）和液体接触角（θY）为参数的切角（α0）相图。图 4 三维微槽内种子气层的稳定性分析：(a) 圆柱形微槽内液体弯液面波动示意图，透明部分代表气体；(b) 三维与准二维圆柱形微槽的原子构型；(c) 三维平衡切线角（α0）在微槽长度方向分布的原子模拟结果；(d-e) 液体弯液面稳定性对 (d) θY-α0空间和 (e) θY-Δpa/γLG空间中径向波动的相图。典型情况的原子构型图：（右上）稳态，（右下）非稳态，（左下）气泡形成逃逸态以及（左上）润湿态。图 5 微槽凸度对储气量的影响：(a) 几何形状（b/a）和（b）外压
（∆pa/γLG）对两类微槽储气量的影响，其中实线代表理论解，点代表原子模拟结果；(c) 椭圆形和 (d) V 形微槽的储气容量因子（wh/2ab）以Δpa/γLG和θY 为函数的等值线图。虚线表示稳定种子气层形成的临界值。图 6 分离椭圆槽内种子气层的稳定性：(a) 分离椭圆槽之间液体弯月面的示意图；(b-d) 微槽分离距离（x/a）余（b）微槽几何形状（b/a）、(c)外压（∆pa/γLG）、 (d) 液体接触角（θY）的关系。浅蓝区域代表液体弯液面稳定悬浮在微槽之间，而浅红区域对应液体弯液面与微槽底部接触。蓝点和红点是分子动力学模拟的结果。原文链接
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。