超疏水材料是疏水角超過150°的疏水材料，因此具有獨特的潤濕性能，可以大幅降低水滴的粘附性能，在自清潔、防結(jié)冰以及水中減阻等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，超疏水性能的實現(xiàn)大多需要微納結(jié)構(gòu)及低表面能有機材料的修飾，因此其力學，耐高溫，抗老化等方面的性能較差。相比于有機材料，無機材料具有更好的力學性能和耐久性，因此開發(fā)無機超疏水材料具有重要的研究意義與應(yīng)用價值。
最近，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒和吳忠振團隊成功制備出一種含有負表面能θ-Al2O3納米材料修飾的多相氧化鋁與納米/微米空隙結(jié)構(gòu)組合形成新型無機超疏水涂層復(fù)合材料，進而提出由 “正+負+零”表面能組合材料形成新一代的純無機超疏水材料結(jié)構(gòu)。
圖1 新一代無機超疏水表面制備示意圖
2004年Norskov 通過理論計算提出θ-Al2O3相在固/水界面具有負表面能（ “A negative surface energy for alumina,” Nature Materials, vol. 3, no. 5, pp. 289–293），新材料學院研究團隊基于自主研發(fā)的電弧等離子體和水基電解液的超臨界電化學技術(shù)，通過調(diào)控高溫快冷與酸堿性變化等多步連續(xù)電化學反應(yīng)，在鋁合金表面實現(xiàn)了多相氧化鋁微納結(jié)構(gòu)涂層的制備，并通過微刻蝕使得基于負表面能的θ-Al2O3納米相嵌在低表面能的微結(jié)構(gòu)表面，從而實現(xiàn)整體的超疏水性能。研究團隊對其進行了耐高溫，抗老化，耐磨及耐腐蝕等方面的測試，測試結(jié)果表明該涂層在明火烤燒，300 °C高溫加熱等處理后均能保持150°以上的超疏水性能；在日光下暴曬360天后，疏水角未發(fā)生明顯下降；在10 N載荷下與無紡布對磨2000次仍可以維持130°以上的疏水角；由于水滴在其表面不潤濕，其耐腐蝕性能突出，尤其是腐蝕電流達到10-10 A/cm2數(shù)量級。
圖2 G1-低表面能的第1代、G2-低表面能與零表面能空氣微/納孔結(jié)構(gòu)的第2代及G3-低表面能中嵌負表面能與零表面能空氣微/納孔結(jié)構(gòu)的第3代的超疏水材料結(jié)構(gòu)示意圖
該工作首次實現(xiàn)了低表面能材料中嵌負表面能（θ-Al2O3）與零表面能空氣微/納孔結(jié)構(gòu)一起組成新一代超疏水材料結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了其一步法連續(xù)制備。其優(yōu)異的力學、耐高溫、抗老化及耐磨損等性能，將滿足工程領(lǐng)域復(fù)雜苛刻的應(yīng)用需求，在航空航天、海洋裝備等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)工作由黃維院士邀請，以題為 “Tuning superhydrophobic materials with negative-surface-energy domains”的文章形式發(fā)表在Research(Science Partner Journal (SPJ) program）期刊上 (Research, 2019, 1391804, DOI: 10.34133/2019/1391804)。
該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃，廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。
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