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四川科研团队解决“超级”防水防尘问题 未来手机可用水洗

2020年07月21日 点击:

●全世界科学家研究几十年,没找到理想的解决办法。业内人士表示,对超疏水材料领域来说,涂层机械稳定性不足问题就像是喜马拉雅山一样难以翻越

●有了“铠甲”,超疏水涂层耐磨程度提高了100倍。实验人员拿刀片刮、用砂纸磨、拿改刀戳……一番折腾下来,依然没损坏“铠甲”保护下的超疏水涂层

●不起雾的护目镜、可以“自清洁”的玻璃幕墙成为可能。怎么扩大到规模化生产,还需要进一步在工艺和技术上进行研究

今年6月全球最受瞩目的科研成果之一,来自四川。

6月初,世界顶级科学杂志《自然》以封面文章形式,发表了电子科技大学基础与前沿研究院教授邓旭团队的最新科研成果《设计坚固的超疏水表面》。以一项基础研究登上顶级科学杂志封面,这在四川乃至全国都不多见。

它究竟研究什么?用学术语言来说,这项研究“首次通过去耦合机制将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度,并提出微结构‘铠甲’保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念”。从应用角度来说,它为“墨水都泼不脏的衬衣”“拿水龙头冲洗的手机”等产品的诞生提供了技术支持。

是不是很神奇?记者就此采访了上述文章第一作者王德辉、通讯作者邓旭,请他们用最通俗的语言,解读这项最前沿的科技。□本报记者 熊筱伟

“墨水都泼不脏的衬衣”为啥没走进我们的生活?

全世界科学家研究几十年,都没解决超疏水涂层“不耐用”的问题

要理解这项科研成果,首先得掌握一个概念——超疏水。

啥是超疏水?夏天常见的荷叶就具备这项“技能”——雨点落在荷叶上并不会浸润下去,而是变成大颗水珠直接滚落。雨停了,一滴水也不会沾上。

不仅“不沾水”,更妙的是还能“自清洁”。“雨滴滚落同时,会顺带把荷叶表面的灰尘也带走。”王德辉说,普通材料没有这个能力,甚至可能出现“雨水越冲越脏”。这是因为,雨滴并不像在荷叶上那样很容易就滚落,而是大多停留在材料表面上慢慢蒸发,“各种脏东西也就没被带走、堆在原地了。”

早在上世纪,全世界不少科学家就注意到荷叶的“超疏水”特性,并通过模仿其原理研发出了各种超疏水材料。如今,在网上输入关键词“超疏水”,很容易找到相关视频——一大桶黑墨水直接泼在有超疏水涂层的衬衣上,衬衣依旧雪白如新;拿颜料喷涂有超疏水涂层的墙壁,眼看颜料沾不住,滴溜溜往墙根儿落;有超疏水涂层的手机脏了,直接在水龙头下面冲洗就能变干净……

既然技术能实现,为啥日常生活里还是看不到“墨水都泼不脏的衬衣”“拿水冲洗的手机”“不会脏的墙壁”?一个关键瓶颈,是超疏水涂层的机械稳定性不足。“换句话说,就是不耐用,一点儿磕碰就可能把涂层磨损,这样也就没超疏水能力。”王德辉表示,这导致相关研究成果迟迟走不出实验室。

全世界科学家研究了几十年,都没找到理想的解决办法。不止一位业内人士表示,对超疏水材料领域来说,这个问题就像是喜马拉雅山一样难以翻越。

四川科学家为啥就能“翻过这座喜马拉雅山”?

琢磨出一种全新思路:做一身“铠甲”,把具有超疏水性的“小触手”保护起来

邓旭、王德辉团队成果能登上《自然》封面,就是因为它在理论和实验上“翻过了这座喜马拉雅山”。

究竟是怎么解决的?这首先要从“超疏水涂层为啥不耐用”说起。

如果你拿显微镜观察超疏水涂层,会发现上面有很多微米级的凸起,这些凸起上又有更小的纳米级凸起,“你可以把它们想象成像珊瑚那样的‘小触手’,只不过小了无数倍。”王德辉介绍,这些“小触手”足够小、它们之间的缝隙也足够小,小到水滴由于自身张力的原因流不到缝隙里去,变成很容易滚动的水珠。

问题也就出在“小触手”身上——它们实在是太“脆弱”了。这并不难理解,“大家都知道太细的铅笔尖容易断,‘小触手’也是这个道理。”王德辉说。

既然不耐用是因为“小触手”容易断,那怎么避免折断?全球科学家想了很多办法,主要都从“小触手”自身想招儿,但不管怎么干,效果都不理想。邓旭、王德辉团队则琢磨出一种全新思路:能不能给“小触手”做一身“铠甲”,把它们给保护起来?

在特别制作的示意图上,记者看到了“铠甲”的样子——它们就像是在平地上挖出一个又一个紧挨着的、倒金字塔形的“坑”。所有“小触手”就被保护在“坑”里。

这是一个令人拍案叫绝的设计。一方面“坑”的边缘略高于“小触手”,使得“天塌了有高个子顶着”——磨损首先伤害的是“坑”边缘,而由于种种原因,“高个子”远远比“小触手”更结实;另一方面水滴依然可以和“坑”里的“小触手”接触,从而尽可能保留超疏水性能。

根据实验数据,有了“铠甲”,超疏水涂层耐磨程度提高了100倍左右。传统涂层剐蹭几下,甚至在强大水流冲刷下,都可能丧失超疏水性能;而在实验室拍摄的视频中,实验人员拿刀片刮、用砂纸磨、拿改刀戳……一番折腾下来,依然没损坏“铠甲”保护下的超疏水涂层。

生活中的超疏水产品离我们究竟还有多远?

目前正和投资人接触,已在探索能“自清洁”的太阳能发电板、防结冰的飞行器等

事实上早在今年4月,《自然》杂志就发来电子邮件表示会正式录用稿件。王德辉笑言得知消息那天,团队所有人都很淡定,甚至都没有邀约一起吃顿好的,“(消息)等太久,都没啥感觉了,顶多就发个朋友圈。”

团队成员更关注的,是如何让这项成果加速“走出”实验室。

毕竟它在生活中已有不少潜在的应用场景。除了前述“墨水都泼不脏的衬衣”“拿水冲洗的手机”等,不起雾的护目镜、可以“自清洁”的玻璃幕墙等都是完全可能的,“如果得到应用,像高空擦玻璃这么危险的事情就可以不用再做了。”王德辉表示。

更重要的,是高科技行业领域的应用。邓旭特别提到它对太阳能发电的潜在价值——就像汽车玻璃久了不洗会脏一样,太阳能发电板表面也会沉积灰尘,而这显然会影响光电转换。根据测算,发电效率一个月就可以降低15%以上。更麻烦的是鸟粪等有腐蚀性的污染物,会导致短路等问题。而超疏水涂层的“自清洁”特性可以很好解决这个问题。他透露,除太阳能发电外,也在和电力公司接洽用于高压电线的“自清洁”,和飞机制造公司商讨用于飞行器的防结冰等。

“现在要做的是尽快开展中试(产品正式投产前的试验,是产品在大规模量产前的较小规模试验)。”王德辉介绍,实验室只在小面积上做出了“铠甲”结构。怎么扩大到规模化生产,还需要进一步在工艺和技术上进行研究。邓旭表示,目前正和投资人接触。