电子科技大学邓旭教授和王德辉教授Small：双亲性铠甲超疏水表面对相变诱导的浸润转变长期抗性
引用格式：
Liu Z, Wang D, Zhang W, et al. Long-Term Resistance to Phase Change-Induced Wetting Transition on Biphilic Armored Superhydrophobic Surfaces[J]. Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2024, e2406072.
在防污、减少阻力和传热等领域，材料表面保持对液体的超排斥性至关重要。超疏水性表面提供了一种有效的方法，但受相变引起的润湿转换的影响，阻碍了其实际应用。在这项工作中，通过将亲水性互连表面框架与超疏水纳米结构相结合，设计出了双亲铠装超疏水表面（BASS）。亲水性框架顶部为冷凝液滴的成核提供了空间选择性，而超疏水纳米结构则使冷凝液滴保持干燥。冷凝液滴在 BASS 上的进一步生长、凝聚、跳跃和滚落显示出对相变引起的润湿转变的显著抵抗力。在 100 °C 的蒸汽中暴露 240 小时后，它仍能保持稳定的超疏水性，比传统的超疏水性表面至少提高了两个数量级。这种设计的 BASS 为解决相变诱导的润湿转变提供了一种有效的方法，从而扩大了超疏水表面在冷凝传热、防污和流体输送等领域的实际应用。
图1. BASS 的设计和 BASS 上凝结核的空间选择性。 a) 通过在超疏水表面引入亲水铠装微结构，在表面实现冷凝液滴空间选择性成核的策略示意图。b) BASS 在导热性和润湿性方面的显著差异。铠装脊的位置显示出亲水性和高导热性(K)，而超疏水表面的位置则显示出较低的导热系数（K）。c) 红外热像仪中的凝结过程，图中不同颜色代表温差（|ΔT|）。e) 和 g) BASS 表面形态的扫描电镜图像，没有超疏水性材料覆盖的装甲脊。g) BASS 亲水铠装脊上的凝结水光学显微镜图像。实验条件：环境温度(Ta) = 25 °C，冷却阶段温度 (Ts) = 5 °C，相对湿度 (RH) = 65%。
图2. BASS 上的冷凝过程。冷凝液滴在 BASS 上的行为示意图和金相显微镜图像。a,b)冷凝液滴在 BASS 亲水铠装脊上的成核过程、e, f) 定向凝聚行为，冷凝液趋向于在脊交汇处凝聚成较大的液滴。g, h) 倾斜角度为 45° 时，冷凝液滴在 BASS 上的跳跃行为。i, j) 冷凝液滴在BASS上的滚降过程，较大的一个带走了大量的冷凝液。实验条件：Ta = 25 °C，Ts = 5 °C，相对湿度 = 65%。
图3. BASS 的参数优化。a) 不同面积分数的 BASS 上冷凝液的滚动角和选择性。在环境温度（25 °C）和相对湿度（25 °C）条件下，将测试样品放置在冷却台（5 °C）上。环境温度（25 °C）和相对湿度≈65%。d) 不同 BASS 上冷凝液滴的凝聚和增长速率，左图：t = 5 分钟，右图：t = 30 分钟, e) 无效凝聚示意图。f) 将样品置于冷却器中时，冷凝液在 BASS（l = 10 μm，f= 5%）上的凝聚和不跳跃情况。g) 有效凝聚示意图。h) 在上述相同条件下，BASS 表面（l = 30 μm，f= 5%）上冷凝液的凝聚和跃迁。实验条件：Ta = 25 °C，Ts =5 °C，RH = 65%。
图4. 热液滴在表面上的附着。a）在Δ T为50 °C的条件下，热液滴在不同表面上的附着力试验，红色虚线表示微针的初始状态。实验条件：Td = 55 ℃，Ts = 5 ℃，Ta = 25 ℃，RH = 65%。b）热液滴在运动表面上的倾斜角，将相同的液滴喷射到不同的表面上，每个表面具有相同的体积和与冷却台的温差（△T= 50 °C）。c）调整液滴与冷却台之间的温差，记录一系列附着力-温差曲线。
图5. 热液滴撞击表面。a)与冷却阶段具有恒定温差（△T = Td - Ts = 70 °C）的热液滴从1 cm的高度撞击表面。b）热液滴在50 ~ 100 ℃的温差（△T）下撞击表面，其中X为热液滴撞击表面时微液滴的钉扎效应，·为热液滴撞击表面时的回弹行为。c）接触角和d）热液滴（△T = 70 °C）撞击五种不同表面的滚动角。对材料进行3000次冲击。实验条件：Ta = 25 °C，Ts = 5 °C，RH = 65%。
图6. a) 相对湿度为 100%、△T= 95 °C 的热蒸汽实验中暴露 240 小时的 BASS 表面的接触角和滚动角；c) 在热蒸汽环境中暴露 240 小时的 BASS 的光学图像，冷凝过程有效循环。实验条件：Ta = 25 °C，Ts = 5 °C，相对湿度 = 65%。
我们通过将亲水性装甲微结构引入超疏水性纳米结构中，设计了具有长期抵抗相变诱导的润湿转变的BASS。BASS表现出不同的导热性和润湿性，有利于冷凝液滴的选择性成核。连续装甲微结构提供亲水位点以冷凝液滴用于成核、生长、聚结、跳跃和滚落，从而保护内部超疏水材料。调节BASS的表面润湿行为提高了对冷凝诱导的超疏水性失效的长期抵抗力。在3000次的热液滴冲击和240 h的热蒸汽条件下，其表现出稳定的超疏水性。这项工作提供了一个有效的策略，为设计的阻力相变诱导的润湿转变和超疏水表面走向实际应用的进展。
相应的成果以“Long-Term Resistance to Phase Change-Induced Wetting Transition on Biphilic Armored Superhydrophobic Surfaces”为题发表在Small上，文章的通讯作者为王德辉教授。
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