北航刘欢JACS：生物仿生微米锥形纤维在高湿环境下的防水性！|刘欢|微米|纳米|超疏水|锥形

研究内容

在高湿度环境下，超疏水表面经常被微/纳米液滴渗透，严重影响了其防水性能。目前，关于高防水性能的各种生物模型已有报道，但多集中在结构的拓扑结构上，对其尺寸特征关注较少。

北京航空航天大学刘欢教授课题组揭示了黾蝽腿和水蛛腹部的超疏水纤维结构的一个共同的尺寸特征，即锥形拓扑和微米尺度的圆锥形纤维。作者进一步研制了一种超疏水的微米尺度锥形纤维阵列，展现出超高的防水性能。相关研究工作以“Bioinspired Robust Water Repellency in High Humidity by Micrometer-Scaled Conical Fibers: Toward a Long-Time Underwater Aerobic Reaction”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者使用参数rp/l (r、l和p分别为纤维之间的半径、长度和尖端间距)表示锥形拓扑和微米尺度的圆锥形纤维，黾蝽腿和水蛛腹部的超疏水纤维的rp/l>0.75 μm。

要点2.作者研制了一种rp/l高达0.85 μm的超疏水微米尺度锥形纤维阵列(M-CFA)。即使在高湿度条件下也具有超高的防水性能。纤维之间的微米尺度的不对称封闭空间使得产生巨大的拉普拉斯压力差异，足以排斥凝结的露水，而针尖帮助固定水下的空气袋，寿命相当长，超过41天。

要点3.在M-CFA中的纤维之间，微小液滴上的理想FL阻止它们渗透到表面纹理中。同时，所产生的FL有利于水下气穴的捕获，而M-CFA上的不连续三相接触线(TCL)进一步增强了这一点。

要点4.作者进一步展示了一个可持续的水下有氧反应，氧气通过逐渐扩散的过程从困住的空气袋中不断地供应。

该研究中rp/l作为表征超疏水纤维结构尺寸特征和结构拓扑结构的参数，为在高湿环境下制备具有强拒水性能的超疏水纤维材料提供了新的视角，为水下器件抗湿性能的创新提供了灵感。

研究图文

图1. 水黾腿和水蜘蛛腹部超疏水纤维结构的尺寸特征。

图2. 高湿度下的超疏水M-CFA。

图3. 入水过程与气穴捕获行为。

图4.M-CFA的长期水下超疏水性。

图5. M-CFA的长期水下超疏水性示意图。

文献详情

Bioinspired Robust Water Repellency in High Humidity by Micrometer-Scaled Conical Fibers: Toward a Long-Time Underwater Aerobic Reaction

Zhongxue Tang, Pengwei Wang, Bojie Xu, Lili Meng, Lei Jiang, Huan Liu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c03860

文献详情

刘欢，教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液体调控及精准图案化的基础和应用研究。曾获国家优秀青年科学基金（结题优秀），中科院院长特别奖，教育部新世纪人才和霍英东青年教师基金。承担多项国家自然科学基金委、国家重点研发计划等科研项目。发表SCI论文90余篇，引用4500余次。兼任中国化学会仿生材料化学专业委员会委员，学术期刊《Nano Research》和《高等学校化学学报》青年编委，《Chinese Chemical Letters》编委和Wiley出版社期刊《Droplet》编辑。