超疏水表面因其獨有的特性而在自清潔、微流體、防冰和生物傳感等領域有著廣泛的應用前景。近年來，隨著柔性材料及電子器件的不斷興起，對超疏水功能化柔性基底的需求亦不斷提升。一方面，柔性超疏水表面依然需要面臨傳統超疏水所存在的如耐磨損穩定性的挑戰；另一方面，柔性超疏水薄膜易于貼附在不同曲率的表面，且其在機械變形中疏水性能的保持也是衡量其性能的關鍵；再者，便捷環保的制備方式，對拓寬超疏水柔性薄膜在不同場景的實際應用亦具有重要的意義。
圖1：（a）基于磁場的微纖毛陣列制備及原位快速燭焰固化以實現分層微納結構的示意圖。（b）具有超疏水性能的微納米分層結構掃描電鏡圖片。（c）高速水流轟擊樣品表面的穩定性測試。下圖為半固化微纖毛表面進行燭焰固化的實驗，上圖為完全固化的微纖毛表面進行燭焰固化的對比。水流注射速度約為10.4 m/s，韋伯數約為526，水壓約為0.17 MPa。
有鑒于此，課題組提出了一種簡單的制備工藝，來實現具有高魯棒性的柔性超疏水薄膜。該方法無需依賴過多的精細設備，只需要永磁鐵提供的磁場及蠟燭火焰即可實現穩定的柔性超疏水。如圖1a所示，該工作采用常見的磁基聚合物（PDMS及羰基鐵粉），在外加磁場下使其自動生成微纖毛陣列；當其在定型且表面處于半固化狀態時（如低溫烘烤2 h），將其放置于蠟燭之上，在高溫燭焰中進行快速固化。燭焰帶來的高溫在快速固化纖毛表面的同時，亦對纖毛表面進行蝕刻，且沉積的碳納米顆粒在該過程中會與未完全固化的微結構表面連為一體，從而實現了一體化的微納米結構，而這正是該工作中能夠實現機械及化學穩定性的關鍵之處。在該過程中，也會有大量的納米顆粒依靠物理吸附附著于樣品表面（圖1b）；不排除該顆粒在超疏水方面所起到的提升作用，但正如后文所述，其基底所具有的一體化微納米分層結構才是超疏水穩定性的根本原因。
圖2：（a）經超聲處理后的微纖毛表面變化示意圖。（b）經過不同時間的超聲處理后，不同樣品的表面滾動角變化趨勢。（c）液滴彈跳實驗結果。液滴速度為0.88 m/s，樣品為經超聲處理1小時。
在燭焰烘烤過程中，會有大量的碳顆粒沉積于樣品的表面，而其較弱的物理吸附能力使得其在經過超聲處理后，很容易脫落（如圖2a）。然而，由于一體化分層結構的實現，即使經過高功率的超聲處理后，其本身所具有的微納分層結構依然能夠確保樣品的疏水特性。與傳統的諸多實現柔性超疏水基底的制備方法相比，本文所制備的工藝不僅在技術要求上更為簡便，且在抵抗超聲處理的能力尤為優秀；如圖2b所示，即使在經過超聲處理4小時后，樣品的滾動角改變量依然處于10°以內。因此，在經過超聲處理的樣品表面，掉落的液滴依然能夠自如地反彈并滾動脫離表面（圖2c）。另外，該工作亦系統地研究了超疏水薄膜的耐用性，并對薄膜經受化學腐蝕、機械變形、外界磨損等不同條件下的超疏水性能維持能力進行了表征（圖3）。在經過有機污染物（丙酮、食用油）、化學腐蝕（鹽酸、氫氧化鈉、王水等 ）、多周期的達1.12 MPa正面施壓（雙面膠測試）、25 kPa的切向磨損等實驗中，樣品表面都能夠保持較好的疏水性能。得益于表面所特有的一體化微納分層纖毛陣列，文中他們也展示了在不同的拉伸程度及多周期往返拉伸下，樣品依然能夠保持優異的疏水性能。經過500個周期的100%往返拉伸測試，薄膜表面的超疏水特性并沒有明顯的退化。
圖3：（a）經過化學腐蝕處理后的樣品表面接觸角及滾動角的變化趨勢。（b）經過酸堿浸泡后的樣品，在高速水流轟擊下的液柱反彈實驗。水流速度約為2.60 m/s，直徑約為350 μm。（c）周期性雙面膠擠壓樣品表面的裝置圖，及其接觸角與滾動角變化趨勢。所施加的正向壓力范圍為0.28 - 1.12 MPa。（d）切向磨損實驗裝置示意圖。（e）經過切向磨損500周期后（壓力為25 kPa），樣品的表面掃描電鏡圖片。
為了驗證所制備的樣品可在不同曲面都獲得良好的應用，他們將其黏貼于雨傘的外表面，并通過搭配裝置來模擬水珠滴落過程中是否會有液滴粘附（圖4a）。在雨傘多次開合的過程中，樣品的柔韌性（可拉伸、可曲折）能夠保證其完好地附著于雨傘表面而不脫落。而經過長時間的水珠沖刷之后，薄膜表面依舊干燥且無液體粘附，意味著其有望在雨傘快速干燥等方面發揮作用。最后，他們亦將樣品貼于壓力傳感裝置上，展示其在不同的日常生活機械磨損后，穩定性是否有明顯的影響（圖4b）。壓力傳感器可實時監控該測試過程中他們所施加于樣品表面的作用力；實驗證明，經過不同的表面磨損及測試后，液滴依然能夠輕易地從樣品表面流走而不會粘在樣品的表面。應該指出的是，正如圖3d-e所示，如若外界施加的力已達到足以破壞整個超疏水薄膜的程度，那么其疏水性則毫無疑問會遭到破壞，而這也是后續工作值得繼續探討及不斷優化的地方。
圖4：（a）薄膜樣品粘貼于雨傘表面后，用水珠反復轟擊樣品表面以進行疏水穩定性能測試。（b）機械穩定性的測試，測試包含了模擬生活中常見的磨損如鐵絲球、螺絲刀、砂紙、手指按壓，及手術刀刮損等。
該工作得到了澳門科學技術發展基金及澳門大學研究基金的支持。相關成果發表于Chemical Engineering Journal。澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生陳戈、戴子憶為文章的共同第一作者。通訊作者為周冰樸助理教授；廣州大學化學化工學院林璟教授，及澳門大學潘暉教授，王雙鵬教授，周胤寧教授亦為此工作提出了寶貴意見。
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