双结构氧化锌纳米线网络：实现持久超疏水性与多功能性的创新设计

研究人员针对超疏表面（SHS）在长期暴露于严苛环境后疏水性退化的问题，通过湿化学法和非氟化改性（C16）开发了双结构氧化锌纳米线（DS ZnO NW）薄膜。该材料在28天内保持水接触角（WCA）>150°，并耐受高压、高湿、强碱及低温，为自清洁、防冰、防腐等应用提供了可持续解决方案。

　　

超疏水表面（Superhydrophobic Surfaces, SHS）因其在自清洁、防冰、防腐蚀等领域的应用潜力备受关注，但长期稳定性差和氟化改性带来的环境风险制约了其实际应用。传统SHS依赖氟化物降低表面能，而氧化锌（ZnO）纳米结构因其可调控的微纳形貌和半导体特性成为替代候选，但如何通过非氟化途径实现持久超疏水性仍是挑战。

法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）的研究团队提出了一种双结构氧化锌纳米线（Double-Structured ZnO NW, DS ZnO NW）设计。通过湿化学法结合十六烷基三甲氧基硅烷（C16）非氟化改性，该材料在28天内保持水接触角（WCA）>150°，并耐受水下浸泡、8bar高压、强碱（pH 14）及-15℃低温，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用溶胶-凝胶法（sol-gel）制备ZnO种子层，通过化学浴沉积（CBD）分别生长高浓度厚纳米线（ZnO NW）和低浓度超高长径比纳米线（UHAR ZnO NW），最终叠加形成DS ZnO NW。表面通过旋涂C16实现非氟化疏水改性，并利用SEM、XPS、AFM和接触角测量仪进行表征。

结果与讨论

1. 形貌控制：DS ZnO NW由底层厚纳米线（直径50nm）和上层超高长径比纳米线（1-5μm）组成，形成4-20μm的微米级孔隙（图2）。AFM显示其粗糙度达345.2nm，显著高于其他样品。

2. 超疏水性能：DS ZnO NW的WCA达180°，水滴无法附着（图3）。Cassie-Baxter模型计算表明其液固接触面积仅3.2×10^-7，远低于ZnO NW（6.1×10^-2）。

3. 环境稳定性：在37℃水下浸泡4周后，DS ZnO NW仍保持超疏水性，而ZnO NW的WCA降至104°（图4）。高压测试中，DS ZnO NW在8bar下稳定20天（图6）。

4. 功能验证：防雾测试显示DS ZnO NW表面冷凝水滴自排斥（图8）；防冰实验中，其结冰延迟时间达869秒，归因于空气层的绝热效应（图9）。

该研究通过微纳分级结构设计和非氟化改性，解决了SHS的环境耐受性问题。DS ZnO NW的低液固接触面积（f=3.2×10^-7）和化学稳定性为抗冰、防腐等应用提供了新思路，但其机械耐久性仍需进一步探索。