超疏水表面向Salvinia表面的可扩展转化

《Advanced Materials Interfaces》：Scalable Conversion of Superhydrophobic Surfaces to Salvinia Surfaces

气膜稳定性增强的 Salvinia 表面转化方法及微结构设计研究。

　　超级疏水（Superhydrophobic, SHPo）表面因其卓越的水排斥能力，在水下环境中展现出独特的功能。这种功能的核心在于其表面结构能够捕获并维持一层薄薄的空气膜（plastron），从而在水流中减少摩擦阻力，并有效防止生物污损。然而，这种空气膜在实际操作条件下的稳定性常常受到挑战，尤其是在水压波动的情况下。因此，如何提高空气膜的稳定性，使其在复杂水下环境中依然能够保持完整，成为提升SHPo表面应用价值的关键问题。

自然界中的水生植物 *Salvinia molesta*（水蕨）提供了一个重要的灵感来源。其叶片能够维持更长时间的空气膜，原因在于它们的表面结构具有特殊的“锚定”特性，能够通过亲水性尖端保持空气膜的完整性，即使在水压波动时也能有效防止空气膜的破裂或流失。基于这一现象，研究者提出了一种“Salvinia”表面的概念，即任何具有亲水性顶部的SHPo表面都可以被称为Salvinia表面，不论其是否具备 *Salvinia molesta* 特有的“蛋打器”状毛发结构。这种表面设计不仅提升了空气膜的稳定性，也为开发更适用于实际工业应用的水下表面提供了新的思路。

然而，传统的SHPo表面在水压变化时容易发生空气膜的不稳定现象。例如，在水压升高时，空气膜会被压缩，导致水-空气界面（即水滴的边缘）向下移动并进入微结构中，从而引发表面湿润现象；而在水压降低时，空气膜会膨胀，边缘向外移动并可能与其他水滴边缘合并形成气泡，最终导致空气膜的破裂。这两种情况都会显著降低SHPo表面的性能，特别是在需要长期维持空气膜的应用场景中。因此，研究者致力于寻找一种方法，能够通过改变表面结构来增强空气膜的稳定性，使其在更广泛的水压波动范围内依然有效。

在本研究中，科学家们提出了一种创新的、可扩展的方案，通过选择性地在SHPo表面的顶部结构上涂覆聚多巴胺（PDA）来实现其向Salvinia表面的转化。PDA是一种广泛用于材料表面改性的物质，因其对几乎所有固体表面的优异附着力而受到关注。然而，传统的PDA涂覆方法在水下操作时面临挑战，尤其是在完全浸入多巴胺溶液的情况下，微结构内部的水滴边缘可能会因溶液中的氧气消耗而发生不期望的脱落，从而影响空气膜的稳定性。为此，研究团队开发了一种新的涂覆方法，通过在涂覆过程中持续引入空气气泡，以维持溶液中的氧气饱和度，从而避免水滴边缘在涂覆过程中脱落。

实验结果表明，经过PDA涂覆后的Salvinia表面在水压降低时展现出显著增强的空气膜稳定性。相比于未涂覆的SHPo表面，这些转化后的表面能够承受更大的压力波动而不会发生空气膜的破裂或合并。这种改进不仅限于水压升高或降低的情况，而是对水下环境中的压力变化具有更全面的适应能力。此外，研究还通过理论模型和数值模拟的方式，分析了微结构几何形状对空气膜稳定性的影响。结果表明，微结构的高度和间距在决定空气膜稳定性方面起着至关重要的作用。具体而言，较浅的微结构和较大的间距能够更有效地抵抗空气膜的压缩与膨胀，从而在水压波动时维持更稳定的空气膜状态。

为了进一步验证这一理论，研究团队构建了一个定制的水压测试装置。该装置允许研究人员在不同压力条件下观察空气膜的变化情况，并通过显微镜和摄像头记录水滴边缘的动态行为。实验发现，当水压升高时，SHPo表面的空气膜更容易发生破裂，而Salvinia表面则表现出更强的抗压能力；反之，当水压降低时，SHPo表面的空气膜更容易因膨胀而破裂，而Salvinia表面则能够更长时间维持空气膜的完整性。这些实验结果不仅证明了Salvinia表面在水压波动环境中的优越性，也为后续的工程应用提供了重要的实验依据。

研究还发现，尽管PDA涂层能够显著提升空气膜的稳定性，但实际制造过程中仍存在一些挑战。例如，微结构表面的不均匀性和涂层的局部缺陷可能导致空气膜的提前破裂，从而影响整体性能。为了解决这一问题，研究团队提出了一种优化策略，即通过设计更均匀的微结构和更精细的涂层工艺来减少这些缺陷。此外，他们还指出，未来可以通过进一步改进微结构的几何形状，例如减少微结构之间的接触面积或优化微结构的排列方式，来进一步增强空气膜的稳定性。

除了实验验证，研究团队还开发了理论模型和数值模拟方法，以更系统地预测空气膜在不同水压条件下的行为。这些模型基于空气膜与水滴边缘之间的压力平衡关系，并结合微结构的几何特性，能够准确预测空气膜的稳定性阈值。对于微结构为微栅栏（microgratings）的SHPo和Salvinia表面，模型能够有效预测在压力升高或降低时空气膜的破裂压力；而对于微结构为微柱（microposts）的表面，研究团队则采用COMSOL Multiphysics软件进行三维模拟，以更精确地捕捉空气膜在复杂微结构中的动态行为。模拟结果与实验数据高度吻合，进一步验证了该方法的可行性。

此外，研究还强调了Salvinia表面在实际应用中的重要性。相比于传统的SHPo表面，Salvinia表面在水下环境中能够更长时间维持空气膜，这使其在需要长期稳定性能的应用中更具优势。例如，在船舶制造、海洋设备、水下机器人等领域，Salvinia表面的引入可以显著提升设备的抗污能力，并减少水流中的摩擦阻力，从而提高能效和使用寿命。同时，这种表面设计也为其他类型的水下材料提供了新的发展方向，使其能够更好地适应复杂和多变的水下环境。

在制造工艺方面，研究团队采用了一种简单且可扩展的方法，能够适用于不同类型的微结构，包括开放和封闭的几何结构。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了生产效率，为大规模应用奠定了基础。通过将样品完全浸入多巴胺溶液中，并结合空气气泡的持续引入，研究团队成功实现了对PDA涂层的均匀控制，确保其仅覆盖微结构的顶部区域，而不影响内部结构的疏水性。这种精确的涂层控制对于维持空气膜的稳定性至关重要，因为任何不均匀的涂层都可能导致空气膜的提前破裂。

综上所述，本研究不仅提出了一种创新的、可扩展的Salvinia表面制造方法，还通过实验和理论分析揭示了空气膜稳定性的关键因素。这些成果为水下材料的开发提供了重要的理论支持和实践指导，特别是在应对水压波动的复杂环境下，Salvinia表面展现出更强的适应能力和更长的使用寿命。未来，随着制造技术的不断进步，这种表面设计有望在更多实际应用场景中得到推广和应用，为海洋工程、生物医学设备、水下能源系统等领域带来革命性的提升。