The Innovation | “全氟一体化”新策略助力仿生拓扑功能表面研发和转化

导 读

生物表面存在由拓扑结构介导的独特超浸润现象，受此启发所开发的仿生表面物质调控功能，如液滴操控、定向浸润、加速传热以及水下气体滞留等，具备在能源、医学、环境、海洋等重要领域进行技术革新的巨大潜力。对于不高度依赖特定表面拓扑结构的超浸润性，例如受荷叶启发的超疏水，研究者已经提出多种思路实现高度的机械可靠性和化学稳定性。然而拓扑结构介导的仿生超浸润性依赖精密微结构和特定表面性质，而这与耐久性对于材料和结构的要求存在矛盾，导致经典思路无法通用地移植到拓扑仿生功能表面上。本工作报道浸润性和软材料几何力学耦合设计思路和创新规模化工艺，为仿生超浸润表面前沿研究和应用转化提供新思路。

图1 图文摘要

长期以来，仿生拓扑超浸润表面的研发一直面临“鱼与熊掌不可兼得”的难题。其原因在于：超浸润性和耐久性在表面设计上很容易相互抵触。具体而言，一方面超浸润性所依赖的精细拓扑结构易受机械应力集中而被破坏；另一方面超浸润性需要极端表面化学性质，但常规条件如日常老化和化学腐蚀均可轻易使表面化学改性。更重要的，经典微加工技术的能力又进一步限制了表面设计，例如，无法规模化制造三维拓扑结构，兼容的材料有限且理化稳定性较低。

因而长期以来业内对于能否兼顾超浸润功能与耐久性难以形成定论，甚至存在部分否定观点，本问题的答案也成为影响该领域发展的核心问题。上海交通大学李万博博士，香港科技大学吴洪开教授和香港浸会大学任康宁教授团队在十余年的探索中建立了一系列基于软材料的微纳表面设计和制造方法，并发明出基于软模板法加工塑性聚合物材料的制备方法，而其中的全氟聚合物拥有极高的化学惰性、优良的韧性和卓越的自润滑性等。受自然生物表面结构启发和基于已有研究积累，研究团队独辟蹊径地提出一种“全氟一体化”（MPS）新策略，有望从根本上解决当前拓扑仿生表面所面临的耐久性挑战。

图2 全氟化合物整体涂层方案通过结合材料化学特性与非线性力学特性实现仿生拓扑界面材料的全面耐久性

全氟一体化策略采用一整片全氟聚合物材料，在其表面直接塑造出仿生拓扑结构阵列（图2A），且其表面设计遵循如下规律。其一，通过对Cassie-Wenzel超浸润模态和结构力学稳定性理论进行耦合（图2B,C），发现仿生超表面的最佳设计应当满足

其中f_sl和θ_Y为表面固/液接触分数和本征接触角，E，μ，σ_f分别为弹性模量、摩擦系数和屈服强度。其二，充分利用韧性软材料的非线性稳定特征，大幅提升拓扑仿生表面稳定性（图2D）。针对软材料，为追求材料鲁棒性，常见的思维是利用材料的弹性，设计外力撤销后可完全透过弹性形变自恢复的结构。然而，高惰性聚合物如要将受力形变控制在弹性范围内，所要求的几何结构与仿生功能所需的拓扑结构相差甚远，因此无法同时满足超浸润功能与鲁棒性的需求。相比之下，对于韧性较好的材料，当结构控制在超浸润所需的拓扑结构范围内，虽然外力增大到一定程度时，结构可能产生一定程度的塑性形变，但受益于塑性形变的非线性特性，在形变程度达到超浸润特性失效前，其抵抗外力的能力已经可以使该材料的整体鲁棒性满足绝大多数应用场景（图2）。例如将测试材料放到公路上经过汽车反复碾压，仍然可以维持其原有功能。这一发现彻底突破了传统设计思路，为同时实现拓扑功能结构与全面鲁棒性提供了另辟蹊径的解决方案。

图3 MPS的大规模低成本加工与灵活应用

然而，如何将高度惰性的全氟化合物大规模加工成精密的拓扑结构阵列，并将氟化物整体涂层牢固黏合在不同的基底上，是实现这一研究思路的关键。对此，研究团队发明了一种全新的软模具和高温软模塑方法，在高熔点塑性聚合物上高精度、规模化地压印复杂三维微结构阵列，实现预期的仿生表面超浸润功能（图3A）。研究团队进一步开发了一种高温键合的方法，不借助任何黏着剂可将一整片全氟聚合物涂层直接热键合到不同基底上，键合强度可达到聚合物本体的强度。此外，这种功能化材料也可以直接作为透光薄膜使用，或制成胶带粘贴到其他基底上（图3B-D）。

图4 MPS表面举例（A-D）利用双倒檐结构在浸没状态滞留气泡的仿弹尾虫表面，（E-H）利用黏附性差异操控液滴的仿玫瑰花瓣表面，（I-M）利用层级结构实现高疏水性的仿荷叶表面。

基于这种策略，研究团队制作了三种代表性的超浸润表面，包括利用黏附性差异操控液滴的仿玫瑰花瓣表面，利用双倒檐结构在浸没状态滞留气泡的仿弹尾虫表面，以及利用层级结构实现高疏水性的仿荷叶表面（图4）。在测试中，这些表面不仅呈现了与过往领先的报道中相似甚至更好的超浸润性能，同时全方位达到了优异的耐久性，在耐磨、耐压、耐剥离、耐极端化学侵蚀、耐环境老化、耐紫外线和臭氧等方面都达到或接近文献报道的最高水平（图5）。此外，相对于应用氟化物颗粒或表面氟化处理的技术，全氟化合物整体涂层还可以大幅减小氟化物泄露到环境中形成污染的风险。

图5 MPS样品的耐久性测试

图6 相对于已有方案，MPS可以同时实现拓扑功能结构和全面耐久性，为仿生功能表面的大规模应用提供了机会

总结与展望

全氟一体化策略（MPS）为仿生超浸润表面科学的深入发展和应用转化提供了新的研究途径。凭借纳米尺度的超高加工精度和极低的成本，并普适性地兼容多种功能性拓扑结构，MPS可实现超浸润表面的大规模加工与全方位耐久性（图6）。基于此策略，仿生拓扑表面研究有望在不久的将来产生出高附加值的创新功能材料，并在商业化应用方面展现出广阔的发展前景。

责任编辑

严   炎    西南交通大学

戴懿涛    中国科学技术大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00017-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Report发表的“All-perfluoropolymer, nonlinear stability-assisted monolithic surface combines topology-specific superwettability with ultradurability” (投稿: 2022-11-18；接收: 2023-02-05；在线刊出: 2023-02-08)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100389

引用格式：Li W., Chan C., Li Z., et al. (2023). All-perfluoropolymer, nonlinear stability-assisted monolithic surface combines topology-specific superwettability with ultradurability. The Innovation. 4(2),100389.

作者简介

吴洪开，香港科技大学化学系教授，分别于中国科学技术大学和美国哈佛大学获得学士学位和博士学位，现担任RSC杂志Lab Chip的副主编。科研团队主要从事微流控芯片、生物材料和生物分析等方面的研究。

Web: https://hongkaiwulab.ust.hk/

任康宁，香港浸会大学化学系副教授，浸会大学生物与环境分析国家重点实验室成员，粤港澳配饰子研究平台副主任，清华珠三角研究院仿生微流控研发中心主任。主要研究创新微加工路径、基于微纳结构的功能化涂层、基于微流控原理的创新分析方法和新药研发手段。

Web: https://www.x-mol.com/groups/ren_kangning

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