據(jù)統(tǒng)計，目前全球工業(yè)蒸汽有效利用率僅為30-40%，蒸汽水資源浪費十分嚴重，而全球有接近2/3的人口面臨嚴重的水資源緊缺問題。近年來，受荷葉效應啟發(fā)，學者們利用仿生技術(shù)制備了一系列超疏水材料，由于其獨特的微納米結(jié)構(gòu)和低表面能化學性質(zhì)，可促使表面凝結(jié)的水滴快速脫附，在捕霧集水領域具備極大潛力，但使用壽命短嚴重限制了其實際應用。這主要是由于：（1）超疏水捕霧集水需要最小化的固-液接觸分數(shù)，但應力集中也會導致精細的微結(jié)構(gòu)易被破壞；（2）降低涂層表面能雖有利于促進露滴脫附，但又會產(chǎn)生涂層內(nèi)聚力和附著力弱的問題。過去的數(shù)十年中，學者們進行了大量的嘗試來解決這些矛盾，卻始終難以滿足實際應用的要求。
針對上述問題，東南大學張友法教授團隊與中國船舶集團有限公司第七二三研究所李龍研究員團隊合作，設計了一種二元協(xié)同超疏水單元胞，其設計核心在于將超疏水納米顆粒（種子）負載于親水的硬質(zhì)多孔微米陶瓷顆粒（微殼）中，具有高強度、非均勻表面化學性質(zhì)等獨特的物化性質(zhì)；用其摻雜改性常用的樹脂涂層，可同時賦予機械穩(wěn)定性和高效捕霧集水性（圖1）。相關(guān)成果 “Damage Tolerance of Superhydrophobic Coatings with Binary Cooperative Cells for Water Harvesting”以正封面論文形式在線發(fā)表于《Small》，文章第一作者為七二三所顧萬誠博士和東南大學夏雅閣博士。
圖1. 期刊封面圖和首頁
上述超疏水單元胞涂層具有優(yōu)異的長效性與自修復性能。首先，耐磨性較已報道的超疏水涂層提高了30-100倍（圖2a-b）；其次，涂層可承受落沙沖擊、水流沖擊等機械沖擊，為抵御干旱地區(qū)中的沙塵和風暴奠定了基礎；第三，涂層可以承受戶外暴露、化學侵蝕、熱沖擊和水中浸泡等環(huán)境外力作用，顯示出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性（圖2c-d）。更重要的是，即使涂層受損失效，也可通過簡單的砂紙打磨實現(xiàn)瞬時原位自修復，這是傳統(tǒng)自修復超疏水涂層難以實現(xiàn)的（圖2e-f）。
圖2. 單元胞涂層的長效性
圖3. 單元胞涂層的捕霧集水性能
對于單元胞涂層的捕霧集水性能，超疏水單元胞顆粒中的親水微殼作為活性位點可以加速水蒸氣吸附、集聚和凝結(jié)，而超疏水納米種子則起到促進露滴的脫附、凝露再循環(huán)的作用。在此二元協(xié)同作用下，集水效率顯著提高（圖3a-b）。有趣的是，機械損傷會增加涂層的親水位點以及促使納米種子釋放保持對露滴的排斥性，從而進一步加快涂層的集水速度，相較于已報道的涂層提高了1個數(shù)量級（圖3c-f）。
總結(jié)
這項研究解決了超疏水涂層在結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)、和表面/體相性能方面的矛盾問題，并同時賦予了涂層長效性和捕霧集水性能，對于超疏水涂層用于解決水資源短缺問題具有重要的參考意義和應用價值。
參考文獻
Wancheng Gu et al. Damage Tolerance of Superhydrophobic Coatings with Binary Cooperative Cells for Water Harvesting. Small, 20, 2307561 (2024). https://doi.org/10.1002/smll.202470101
