​UIUC马景铖等Nat. Commun.：超薄的自修复材料有望降低全球碳排放！

【工作介绍】

在全球变暖态势愈加严峻的态势下，全球超过70%的电力供给依然依赖于燃烧化石燃料的火力发电站。因此，即使只将火力发电站的能源效率提高1%，都将显著降低全球的碳排放。历经了上百年的工业发展，如今火力发电站的效率可以达到30%左右，但再进一步则变得十分困难。而在一百年前，便有一个了似乎轻松提升2%能源效率的设计方案，却至今在各国都未能实现。这个方案便是“珠状冷凝”。

让我们详细来了解一下这个方案是什么，以及它为什么难以实行。在火力发电站中，水作为能量传递的媒介，先被燃烧过程加热为高压蒸汽，这些蒸汽推动了火力发电站的涡轮进行发电后，在冷凝器的过冷表面上冷凝为液态水，然后重复这一过程再次被加热为蒸汽：这便是一个完整的热力学循环。这其中，蒸汽的冷凝对于整个循环的热力学效率至关重要。事实上，推动了工业革命的瓦特，正是对初代蒸汽机的冷凝部件进行了优化，才显著地增加了蒸汽机的能源效率，将人类带入了蒸汽时代。

“珠状冷凝”的概念正是对火力发电站中的蒸汽冷凝过程进行优化。一般说来，蒸汽在金属表面冷凝后会形成一层液膜，而这层液膜阻隔了蒸汽与换热器的接触、阻碍了能量传递的进行。那么，如果能够把冷凝器的表面做成像荷叶表面一样的疏水材料，那么冷凝的水便会形成一颗颗的微小的水珠快速滑离换热器表面。这一小小的改动意义非凡：它可以将冷凝换热的强度提升十倍！进而提高整个热电站的能源效率。

这个方案听上去十分简单：只要在换热器上镀一层疏水涂层不就可以了吗？然而正是这涂层材料的设计，困扰了学界和工业界几十年。问题在于疏水涂层太厚，同样阻碍了蒸汽和金属的热量传递。但如果镀层够薄（薄于100纳米），冷凝的水蒸气却又总会渗透到薄膜底部造成镀层脱离。因此，设计比100纳米还薄、却又耐久而不会失效的疏水材料，成为了解决这一重大问题的关键。

为什么镀层太薄，便会导致水蒸气便会渗透入镀层底部呢？学界众说纷纭。在2019年，美国伊利诺伊大学香槟校区机械系的马景铖博士，David Cahill教授以及 Nenad Miljkovic 教授等人发现这些镀层上的纳米缺陷和孔洞是问题的关键。那么，能否设计一个又薄又永远没有孔洞和破损的薄膜材料呢？

鉴于此，马景铖博士，Laura Porath博士 （共同一作），Christopher Evans教授以及Nenad Miljkovic（共同通讯作者）等人开发了一种只有10纳米厚的自修复疏水镀层。这种自修复材料中复合了疏水的聚二甲基矽氧烷（PDMS）与硼酸。硼酸与二甲基矽氧烷分子之间能形成一种动态的化学键。与常规的稳定化学键不同，这里的动态化学键会不断在分子间断裂重建，赋予了材料一种特殊的流动特性。如果材料出现破损，破损处的分子会迅速重建材料网络，因此能够实现自修复的功能。

作者们展示了这种自修复材料可以通过旋涂法或浸涂法在硅片、玻璃、金属等多种工程材料上。无论对这些材料进行切割、钻孔或是磨损，涂层都能在一秒内修复其完整性，因此实现了超薄又耐久的疏水材料。经过水蒸气冷凝测试，研究人员发现这种材料的使用寿命远超目前常用的普通聚合物疏水涂层。近日，这项研究发表于Nature旗下的顶尖学术期刊《自然-通讯》。这种超薄的自修复疏水材料有望在不久的将来应用于全球范围内的火力发电站，以实现能源效率的提高、以及大幅降低全球碳排放。

【核心图文】

图1.材料的设计、制备及表征。(a) 材料的分子结构示意图，(b) 不同制备工艺对材料厚度的影响, (c) 材料的红外光谱, (d-e) 材料的表面结构及表面化学, (f, g, h) 不同镀层在不同基底上（硅片、铝片、玻璃以及铜片）的接触角

图2.材料的自修复性能 (a) 宏观尺度下材料的自修复能力, (b) 用原子力显微镜测量纳米尺度下的自修复能力, (c-d) 材料在受到外力磨损后自修复的示意图, (e) 自修复材料与一般高聚物材料在经历物理伤害后的水汽冷凝性能对比

图3.材料的蒸汽冷凝耐久度 (a) 一般高聚物镀层在冷凝测试中不到一小时就脱离、失效 (b) 自修复材料在连续冷凝测试17天后未出现任何肉眼可见的失效。

图4.自修复材料还可在纳米结构上被制备成超疏水材料

J. Ma, L. E. Porath, M. F. Haque, S. Sett, K. F. Rabbi, S. Nam, N. Miljkovic, C. M. Evans. Ultra-thin self-healing vitrimer coatings for durable hydrophobicity. Nature Communications, 2021, DOI:10.1038/s41467-021-25508-4

作者介绍：

第一作者马景铖2017年7月本科毕业于上海交通大学钱学森班，现为美国伊利诺伊大学香槟校区（UIUC）机械系博士（2017年8月至今），主要从事的研究包括微纳尺度下的流体、软物质以及界面物理化学现象。目前以第一作者或通讯作者在包括Nature Communications, Advanced Functional Materials 和 Nano Letters 等国际期刊上发表论文数篇。

共同第一作者Laura Porath在2017年5月本科毕业于芝加哥大学物理系，现为UIUC材料系博士（2017年8月至今），主要从事聚合物化学及流变学的研究。

通讯作者Nenad Miljkovic 现为UIUC机械系教授，UIUC空调与制冷中心副主任，能量输运研究实验室（Energy Transport Research Lab）负责人。主要从事包括相变传热、界面科学及太阳能等方向的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Science Advances, Nature Communications, Advanced Functional Materials和ACS Nano等国际期刊上发表论文一百余篇。

共同通讯作者Christopher Evans 现为UIUC材料系助理教授。主要从事包括聚合物物理、分子扩散、能源材料等方面的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Nature Communications, Physical Review Letters 和 Journal of the American Chemical Society等国际期刊上发表论文五十余篇。