编辑推荐：
为解决抗污涂层易磨损、难以兼具多种性能的问题，广州大学研究人员开展相关研究，制备出兼具抗污、超硬、高透明性能的涂层，有望用于电子屏幕等领域。
研究背景
在生活中，我们常常会遇到这样的困扰：手机屏幕、车窗玻璃等表面很容易沾染污渍，影响使用体验；而且这些涂层还不够坚固，容易被指甲、沙子等刮花。抗污涂层材料（Anti-smudge coating materials）本有着广阔的应用前景，可用于自清洁等场景，比如建筑物的玻璃外墙、汽车挡风玻璃等，能减少清洁成本和时间 。但传统的抗污涂层材料却有着诸多缺陷。
通常，抗污功能依靠低表面能化合物实现，像氟或硅基两亲性有机分子、聚合物等，可这些有机成分天生较软，导致材料硬度有限。在实际使用中，高硬度和透明度对涂层至关重要，比如手机屏幕涂层，既要防止被尖锐物体刮花，又不能影响屏幕的视觉效果；车窗涂层要能抵御风沙的磨损，同时保证驾驶者的视线清晰。为了提升硬度，人们尝试在抗污有机涂层材料里添加无机硬填料，可这又带来了新问题，如杂化涂层复合材料存在明显的异质结构、杨氏模量失配，无机填料与有机基体间的界面相互作用较弱，硬度提升效果不佳，而且这些填料还会散射光，降低涂层透明度，不适用于可穿戴电子设备、车窗等需要高透明度的场景。
面对这些难题，广州大学的研究人员 Jieran Li、Xiubin Xu 等人展开了深入研究，致力于寻找一种能平衡和保证材料具备抗污性能（Anti-smudge performance）、超硬（Superhardness）和透明（Transparency）等多种特性的方法。他们的研究成果发表在iScience期刊上。
研究方法
研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。利用马尔文粒度仪（Malvern Zetasizer Nano ZS90）测量构建模块（building blocks）的尺寸分布；通过接触角测量仪（CA measuring instrument，JC2000A）测定涂层表面不同液体的接触角（Contact Angles，CAs）和滑动角（Sliding Angles，SAs） ；使用紫外 - 可见光谱仪（UV-visible spectrometer，Varian Cary 7000 spectrophotometer）测量涂层的透射光谱；借助扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM，Zeiss Sigma 300）和原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM，Bruker Dimension Icon）观察涂层的微观结构；运用 X 射线光电子能谱（XPS，K-Alpha，Thermo Fisher Scientific）分析涂层表面元素组成；采用铅笔硬度测试仪（VF2378 pencil hardness tester）测定涂层铅笔硬度；通过磨损测试系统（Chuangheng，A20 - 339）进行磨损测试；利用纳米压痕仪（Bruker Hysitron TI980）开展纳米压痕和纳米划痕测试；使用万能试验机（HZ - 1007E，Dongguan Lixian Instrument Technology Co.,Ltd）评估涂层与基底的附着力。
研究结果
- 涂层的制备与表征：研究人员通过 3 - 氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyl triethoxysilane，APTES）水解制备出带有氨基的超硬有机核，再使其与季戊四醇三丙烯酸酯（pentaerythritol triacrylate，PETA）壳发生迈克尔加成反应，同时氨基封端的聚二甲基硅氧烷（ ）也参与反应赋予涂层抗污性能，最终得到尺寸主要分布在 1 - 10nm 的构建模块组成的澄清溶液。该溶液可通过喷涂、浸渍或涂刷等方式涂覆在各种物体表面，在 180°C 固化 2h 后形成涂层。SEM 和 AFM 图像显示涂层呈现出类似 “鹅卵石路” 的微观结构，表面粗糙度（Ra）为 0.484 ± 0.037nm，说明涂层表面光滑。涂层在 500 - 800nm 的透光率超 98%，这得益于构建模块良好的分散性和小于可见光波长的尺寸，不会引起光散射。
- 涂层的拒液性能：研究人员测试了多种不同表面张力的液体（如正己烷、水等）和不同粘度的油（如花生油、泵油等）在涂层表面的接触角和滑动角。结果显示，所有液滴都能轻松从涂层表面滑落，即便接触角较小，表明涂层具有低附着力和出色的抗污性能。经计算，涂层表面能约为 ，远低于未涂层表面。与受莲花启发的超疏水或超疏油表面不同，该涂层的抗污性能主要依赖于构建模块表面的类液体抗污链段，在受压情况下仍能保持抗污性能。实验中，墨水在涂层表面受压后能迅速收缩，而在未涂层表面则会扩散和沾染。此外，涂层对涂鸦等异物具有易清洁性，油性墨水涂鸦用干纸巾就能轻易擦除。
- 涂层的超硬性能与基底附着力：按照 ASTM D3363 标准测试，涂层的硬度达到无机水平的 > 9H，用 9H 铅笔以 1kg 载荷刮擦涂层，涂层表面无明显划痕，且墨水在划痕处仍能收缩，相比商业聚氨酯（PU）涂层性能更优。通过纳米压痕和纳米划痕测试进一步研究涂层表面机械性能，其纳米硬度和弹性模量平均值分别为 368.7MPa 和 4.68GPa。磨损测试中，用钢丝绒在 15.0kPa 压力下摩擦 200 次，涂层表面无剥落或划痕，经 1000 次棉擦磨损后仍保持抗污性能。同时，涂层与多种基底（如锡板、不锈钢、铝、玻璃等）都有很强的附着力，最低剪切强度高于 200kPa，这得益于涂层溶液的良好流平性、成膜性，以及涂层与基底间形成的化学键和氢键等相互作用。
- 涂层的耐腐蚀性与透明性：将半涂覆的钢板置于多种腐蚀性液体（如 、NaCl、HCl 溶液）中，涂层能有效保护基底，未涂层区域严重腐蚀，而涂层区域无腐蚀迹象。电化学腐蚀测试也表明，涂层使腐蚀电位（Ecorr）正向移动，腐蚀电流密度（Icorr）降低，提供了良好的腐蚀防护。涂层在多种有机溶剂、不同 pH 值水溶液和人工海水中浸泡 21 天，以及在水下超声波处理 180min 后，对水和十六烷的滑动行为变化可忽略不计，显示出高耐损伤性和耐久性。此外，涂层在电子设备屏幕、汽车挡风玻璃等方面具有潜在应用价值。在电子设备屏幕上，它能排斥人工指纹液体，减少对屏幕显示的干扰；在汽车挡风玻璃上，能排斥液体污染物和灰尘，减少雨滴滞留，降低对驾驶视线的影响，提高雨天驾驶安全性。
研究结论与意义
研究人员通过纳米颗粒图案表面设计策略，成功制备出兼具抗污、超硬和高透明性能的涂层。该涂层对多种液体具有优异的排斥性，硬度超过 9H，透光率达 98% ，且制备过程简单，所用化学试剂和工艺便于大规模、现场应用于各种基底。这种多功能涂层在电子屏幕、车辆窗户等领域具有广阔的应用前景，有望为相关产业带来新的发展机遇，推动材料科学在涂层领域的进一步发展，解决长期以来抗污涂层难以同时具备多种理想性能的难题，为实际应用提供更优质的材料选择。不过，该研究也存在一定局限性，目前涂层表面的结构和粗糙度还无法调整以制备系列图案，未来研究可在此方向进一步探索优化。
