具有液体排斥功能的疏液表面是近年来的前沿热点领域，固-液界面间稳定气层的构筑和优异的表面机械稳定性是决定其走向应用的技术核心和关键问题。然而，目前所开发的疏液表面由于独特微纳结构的存在仍然面临表面机械稳定性差的问题，在一些特殊动态场景（如汽车侧窗玻璃）中难以适用。近日，电子科技大学邓旭教授团队基于气动莱顿弗罗斯特效应，报道了一种通过在固体表面上直接引入外源性气层来实现表面对液滴排斥性能的策略，以题为“Aerodynamic Super-Repellent Surfaces”发表在Research上，为动态场景下传统超疏水表面因机械性能差导致的液体排斥性能失效问题提出可能的解决方案。
Citation:
Yu F, Yang J, Tao R, Tan Y,Wang J, Wang D, Chen L, Wang Z, Deng X. Aerodynamic Super-Repellent Surfaces. Research 2023;6:Article 0111. https://doi.org/10.34133/research.0111
Vol.01
研究背景
雨天的交通事故率显著高于晴天，其中一个重要因素是由雨滴粘附引起的视觉障碍。尽管前挡风玻璃或后视镜上的雨滴可以通过雨刷或加热来消除，侧挡风玻璃上雨滴的黏附却往往无法有效消除且易被忽视（图1）。而这些液滴透镜通过散射光线扭曲视觉场景，从而使驾驶员的视野变差，可能导致灾难性的事故。
图1 雨滴黏附引起的视野障碍
针对侧挡风玻璃的雨滴黏附问题，首先想到表面改性。通过使表面超亲水或超疏水，可以减轻或增强固液相互作用，并有助于快速液滴脱落或形成液膜，以避免滴曲率的光学效应。然而，商业超润湿材料通常由于微纳米结构的脆弱性而存在耐久性问题，特别是在动态工作条件下。例如，当使用刮玻器对涂敷有商业超疏水涂层的侧窗玻璃仅经过一次刮擦时（模拟侧挡风玻璃上升/下降动作），超疏水处理区域便不再具有防水性能。此外，微纳米结构的引入不可避免地导致光散射，从而恶化了光线在表面透过。因此，尽管表面改性涂层在最初使用中效果很好，在动态工作条件下却表现出有限的性能。
除了通过引入物理结构提供空气囊外，另一种获得表面非润湿特性的替代策略是在固液界面生成气垫，从根本上防止液滴接触表面。如由过热引起的莱顿效应使挥发性液体悬浮在蒸汽垫上方。更有趣的是，表面的动态运动也可以产生一个空气层来排斥入侵的液滴，称为气动莱顿效应。然而这些方法需要外部激励，实验设置复杂而笨重，并可能会带来可靠性问题。
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研究进展
作者通过巧妙设计气层引入装置，构建了气动超疏液表面，并开展了气动超疏液表面液滴冲击动力学的研究（图2）。结果表明，气层的引入可使冲击的液滴在固体表面发生反弹直至沿气流方向离开表面，实现表面“非润湿”，而一旦气层停止，液滴冲击后经过铺展、回缩和振荡后沉积在表面，最终润湿表面。
图2 气动超疏液表面的构建及冲击液滴排斥性能
气动超疏液表面对于冲击液滴的排斥是有条件的。作者通过实验进一步探讨了液滴冲击速度、气流速度和由出风口尺寸修正的空气层厚度之间的关系及其对冲击动力学的影响。结果表明，不同模式的液滴行为之间的过渡是不连续的：液滴要么润湿表面，要么完全弹跳和飞溅。液滴冲击能量和空气层提供的能量共同决定了最终的冲击模式（图3）。
图3 液滴冲击模式相图
经分析，液滴一旦落到空气层，立即发生变形。这种不对称变形是由空气层施加在液滴上的强大动态压力引起的，形成底部楔形气层。在变形的倾斜液-气界面处，会产生垂直于界面的力。该力的向上垂直分量防止液滴进一步下落并将液体向上提升，水平分量则参与液滴沿气流方向的运动，最后水滴在空气层的作用下反弹并离开整个表面（图4）。在时间尺度上，该力引起的界面变形时间（平衡气动力和粘性力得到）必须小于液滴冲击时间，在空间尺度上，该力必须足以克服冲击液滴的惯性，水滴才有可能反弹实现非润湿。
图4 气动超疏液表面冲击液滴的排斥驱离机制
考虑到实际应用中的各种情况，作者还研究了气层表面倾角、气层的作用范围和液滴大小对冲击结果的影响（图5）。结果表明，表面倾角越大，液滴尺寸越小，所提供气层所需能量阈值越低，液滴越容易在空气层的作用下从表面去除。且倾斜气动超疏液表面在液滴冲击后能实现大范围的回弹，保证整个表面非润湿。这些研究结果可以为各种实际场景中抗湿技术的设计和应用提供有价值的参考。此外，通过搭建实验室雨天模拟系统，作者还进行了气动超疏液表面应用于侧挡风玻璃的测试，证明了该方法在汽车侧窗玻璃上实现防雨性能的潜力（图5）。
图5 气动超疏液表面多影响因素下的性能测试及在防雨车窗中的应用
Vol.03
未来展望
将外源性气层直接引入固体表面构建气动疏液表面，为实现固体表面液滴排斥性能提供一种新的思路。基于气动排斥原理，气动超疏液表面可以用于排斥所有液体种类的液滴，且气层可施加在任何固体表面，进一步扩宽了疏液表面的适用性，同时也避免了表面摩擦磨损的问题，有助于推动疏液表面在防雨车窗、生物学操作平台等特殊应用场景的发展。
Vol.04
作者简介
邓旭，电子科技大学教授，博导，材料表面科学研究中心/中德马普界面材料联合实验室负责人。德国马普高分子研究所博士，美国加州大学伯克利分校/美国劳伦斯伯克利国家实验室博士后。国家青年人才，英国皇家化学会会士，中国胶体与界面化学优秀青年学者奖，德国洪堡学会“贝塞尔研究奖”，中国十大科技新锐人物，中国化学会首届菁青化学新锐奖，四川省青年科技奖。主要专注于材料表面科学研究，探究表界面相关的物理及化学基础原理，如表面电荷富集、界面化学反应、表面污染以及界面传热传质等表界面科学问题。研究成果以第一作者或通信作者在Nature, Science, Nature Materials, Nature communication, Physical Review Letter，Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等国际著名杂志发表文章40余篇。
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