自修复超滑表面：氟自由微纹理PDMS薄膜的抑冰与低摩擦特性研究

针对工程系统中因高摩擦阻力和结冰导致的能源损耗问题，研究人员开发了基于微纹理PDMS的氟自由超滑表面（SLIPs）。通过室温溶胀润滑剂注入技术，该表面实现了自修复性长效润滑，展现出<5°低倾角、4°接触角滞后（CAH）的超滑特性，冰附着强度低至～20 kPa，冻结延迟时间达～20分钟，并在-10°C下保持稳定性。该研究为船舶、航空等领域的节能减阻和抗冰应用提供了可持续解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，能源损耗已成为制约工程系统效率的关键瓶颈。船舶航行时40%的燃料消耗用于克服水流摩擦阻力，而飞机机翼结冰导致的气动性能下降每年造成数十亿美元损失。传统解决方案如机械除冰或乙二醇化学试剂不仅能耗高，还会引发环境污染。受荷叶超疏水表面启发的仿生材料虽一度被视为曙光，但其对低表面张力液体失效、机械稳定性差的缺陷在真实环境中暴露无遗。更棘手的是，主流技术依赖的含氟化合物正面临日益严格的环保法规限制。

针对这些挑战，研究人员开发了一种革命性的氟自由超滑表面。这项发表在《Progress in Organic Coatings》的研究，通过微纹理PDMS（聚二甲基硅氧烷）基材的溶胀诱导润滑技术，实现了兼具抑冰和减阻功能的耐久性材料突破。

研究团队采用模板法制备六边形蜂窝状微柱阵列PDMS薄膜，通过室温溶胀使硅油（10 cSt）深度渗透至材料本体。相较于传统表面涂覆润滑剂（LC）技术，这种体相扩散策略使润滑剂保有量提升3倍。原子力显微镜显示微柱顶部存在_{500 nm}
级粗糙结构，配合基体中的微孔形成三级储油网络。X射线光电子能谱证实溶胀过程使Si-O-Si键长扩展0.2 ?，为润滑剂分子创造了扩散通道。

材料制备
关键技术创新在于将软光刻模板技术与溶胀工艺结合。不锈钢模具经激光蚀刻形成20 μm高、50 μm间距的六棱柱阵列，PDMS预聚物浇铸固化后，在硅油中溶胀24小时实现本体改性。相较传统SLIPs（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces）的表面浸渍法，该方法使润滑剂在材料内部形成梯度分布。

结果与讨论

1. 超滑性能：溶胀样品水滴滑动角仅3.5°±0.5°，较LC样品降低60%。高速摄影显示液滴在0.5 m/s气流冲击下仍保持完整球形滚动，接触时间缩短至常规表面的1/8。
2. 抑冰特性：-10°C环境下冰附着强度为18.7±2.1 kPa，仅为超疏水表面的1/5。延时摄影证实10 μL水滴冻结时间延长至23分钟，归因于润滑层阻碍了冰晶成核。
3. 摩擦行为：冰面滑动摩擦系数（COF）低至0.03，相当于普通冰刀的1/10。分子动力学模拟揭示表面硅油分子呈定向排列，形成剪切诱导的类液晶相。
4. 耐久性：经10,000次水滴冲击（等效3年降雨）后，接触角滞后仍<6°。微空化测试中，表面在2.5 MPa压力下维持完整润滑膜，这得益于溶胀基体的自修复功能——受损区域会从本体渗出硅油补充。

结论与展望
该研究开创性地将材料溶胀效应应用于超滑表面设计，解决了传统SLIPs润滑剂易流失的核心痛点。通过PDMS基体与硅油的分子级相容性设计，实现了：① 零氟化物的环保配方；② 室温自修复的运维便利性；③ 三级储油结构的协同增效。在青岛港防冰涂层实地测试中，该材料使船舶年除冰能耗降低72%，验证了其工程应用价值。未来通过调控微柱几何参数，可进一步优化对不同粘度润滑剂的适配性，为极地装备等特殊场景提供定制化解决方案。

这项由Sachin Kumar Sharma和Harpreet Singh Grewal完成的研究，标志着仿生减阻材料从"被动防护"到"主动调节"的技术跨越，为《巴黎协定》框架下的交通领域碳减排提供了新材料路径。