电子科大64年来首提Nature封面，邓旭团队为超疏水表面披上「铠甲」电子科大64年来首提Nature封面，

白交发自凹非寺
量子位报道 | 公众号 QbitAI 荷叶为何能「出淤泥而不染」？鸭子怎么能浮在水面上？水黾（mǐn）是怎么实现「水上漂」的？

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自然界中实现这些，都有一个科学奥秘——超疏水表面。
听起来比较拗口！
但就拿出淤泥而不染的荷叶来说，表面上都是水珠，却从没有铺满浸润过。
这背后是荷叶表面——不亲水，与水疏离，被称之为该表面具有「疏水性」。
实际用途也很广。你看「荷叶」、「鸟的羽毛」就知道了。
干燥、自清洁、避免生物污染。
日常中的眼镜去雾功能，就是因为眼镜表面附着了一层「超疏水材料涂层」。
但是这种材料耐用性不强，易受磨损——或许有心人早已发现，你的眼镜没过多久就没办法去雾了。
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然而，现在这个问题，被中国的研究团队一举解决，来自电子科技大学邓旭、王德辉团队的研究成果，还由此登上了最新Nature封面。

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值得一提的是，这还是电子科技大学首次以「第一单位」的身份登顶Nature封面。
所以这究竟是一项怎样的研究？
疏水性与耐用性不能共生？刚才所说，去雾化眼镜过不了多久就失效了，这就是材料疏水性和耐用性的共生痛点。
这也是此次电子科大团队的研究背景和出发点。
为什么疏水性跟耐用性不能共生？
首先，需要了解一个概念——接触角。

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通常来讲，固-液接触，主要有三个表面，固-液表面、液-气表面、气-固表面。
而接触角则是固-液表面与气-液表面之间的夹角。
当接触角大于90度时，说明固液表面不润湿，也就是疏水性，相反则是亲水性。
接触角越大，就说明疏水性越强。
实际生活中，人们为了增强材料表面的疏水性，常用手段就是减少固-液接触。
但这样，只有固体表面只有一小部分面积与液体接触，那么粗糙的表面就会承受较高的机械负载的局部压力，从而导致他们易碎而且极易磨损。
而且由于极易磨损，甚至还可能改变他们的表面性质，比如从疏水性变成亲水性。
于是，人们通常就假定它的表面的机械稳定性与疏水性是「相互排斥」表面性质。
就好像是「鱼和熊掌，不可兼得」。
这样也就给超疏水材料的应用带来了很多的局限，也是面对实际应用亟待解决的关键难题。
基于这个问题出发，研究团队就是设计了这么一个超疏水表面，可以让两种性质「和谐共生」。
那是怎么做到的呢？
怎么设计的？这项研究的亮点主要在两个方面：

设计了一个可相互连接的表面框架微观结构，充当「铠甲」。其中包含「口袋」，装有高度疏水但机械脆弱的纳米结构。
将这种结构用于各种基材，包括硅、陶瓷、金属和透明玻璃，结果表明，即使在被砂纸和锋利的钢刀片磨耗后，所得超疏水表面的疏水性仍然得以保持。

其中最主要的核心就在于微观结构的设计。
采用的是「去耦合机制」。
通俗点来说，分工合作，干活不累。
将表面浸润性和机械稳定性拆分成两种不同的结构尺度，通过在两个结构尺度上分别进行最优设计。
你不耐用没关系，负责疏水性就好了，我来负责给你在外面给你加固。

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△图1：微观结构设计从设计的模型上看，纳米结构在受到磨损时，磨损物体可能插入纳米结构之间，从而对结构产生一定的损伤，而加入了微结构以后，这样的磨损也就有所减少。

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△图2：微观结构的机械稳定性微观结构是一组「倒金字塔空腔」微观阵列组成（如图2a，2b）。采用微压痕法跟柱形、金字塔形比较，倒金字塔形的硅基片表现出了良好的力学性能（如图2c）。
还将这种结构应用到了陶瓷、金属以及玻璃上，都产生了类似的结果。

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△磨损后的疏水性接着就对设计的超疏水表面进行疏水性以及机械稳定性的验证，发现两个性质能够很好的「共生」。

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△超疏水表面的机械稳定性实际测试之后，他们还进行了实际的测试。

经过刀片、螺丝刀、砂纸、钢丝球的「摧残」都表现出了超疏水性和机械稳定性。
以玻璃为例，这样看可能更直观。

不仅能够经过刀片的磨损，磨损之后，还能表现出良好的疏水性。
还有它的「自清洁除尘」功能。

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△雾气在粉尘污染的平面硅片（b）和设计的「铠甲」硅片的凝结情况（c）特此注明：灰尘来自成都。

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与此同时，这个设计结构还具有高透光率，可以为太阳能电池创建坚固、透明的自清洁面漆，从而节省了水资源、人力以及成本，为少雨地区提供了自清洁太阳能电池的解决方案。
团队介绍

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本次研究是来自电子科技大学「胶体与界面中心」邓旭教授的课题组。

中心主要从事材料表面、物理化学、仿生材料等相关研究。
去年11月，邓旭教授曾获中国化学会颁发的「菁青化学新锐奖」。

而本次论文的「第一作者」——王德辉博士。

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本科就读于四川农业大学应用化学专业，随后在陕西师范大学攻读材料科学的硕士学位。
2016年来到了电子科技大学的邓旭课题组攻读博士。
而当时他们或许难以预料，4年后，喜提Nature封面，还是电子科技大学的里程碑时刻。
所以，无论科研还是工作，梦想和追求还是要有的，万一努力之后就实现了呢~
论文链接：
https://www.nature.com/nature/volumes/582/issues/7810
邓旭课题组：http://www.ccsi.uestc.edu.cn/
— 完 —
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