定向图案化润滑表面：基于十一烯酸改性纤维素纳米粒子的高效集水新策略

《Advanced Materials Interfaces》：Enhanced Water Harvesting on Directionally Patterned Slippery Undecylenic-Modified Cellulose Nanoparticle Surfaces

本文报道了一种仿生润滑表面，通过结合亲水-疏水图案化与润滑剂注入技术，基于疏水性十一烯酸改性微晶纤维素（UMCC）纳米粒子构建了稳定的定向改性滑动界面。该表面显著降低了接触角滞后（CAH），实现了532.8 ± 85.1 mg/(h·cm2)的高效集水速率，在宽pH范围内表现出优异的化学稳定性，为下一代仿生集水技术提供了可持续平台。

　　

引言

自然表面进化出了复杂的润湿机制，为高效集水提供了宝贵蓝图。受荷叶超疏水性、甲虫亲水-疏水图案化以及猪笼草滑溜表面等生物系统启发，研究人员开发了多种仿生集水材料。然而，超疏水表面的微纳结构中气穴易被冷凝破坏，导致Wenzel转变和液滴钉扎。为克服此局限，引入润滑层可最小化接触角滞后（CAH），促进液滴快速滑动。本研究提出一种仿生混合表面，整合定向润湿性图案化与润滑剂注入技术，用于高效雾水收集。

结果与讨论

UMCC纳米粒子的透析法制备

通过透析-喷雾工艺合成十一烯酸改性微晶纤维素（UMCC）纳米粒子。透射电镜（TEM）显示其具有核壳结构，动态光散射（DLS）分析表明UMCC在四氢呋喃（THF）中平均流体动力学直径为224.7 ± 7.5 nm，多分散指数（PDI）为0.28 ± 0.05。透析至乙醇后，平均尺寸增至461.0 ± 4.7 nm，PDI为0.33 ± 0.04，表明溶剂诱导的聚集行为。该过程可解释为溶剂诱导无序自组装现象，溶剂分子交换调控粒子间相互作用，驱动系统向低自由能构型转变。

润滑注入滑溜UMCC-R表面的表征

UMCC纳米粒子通过喷雾涂层沉积于玻璃基底，经硫醇-烯点击反应进行表面改性，形成图案化滑溜UMCC-R表面（R = —OH, —NH₂, —CF₃）。X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDS）验证了目标官能团的成功接枝。静态接触角测量显示改性表面呈现高疏水性，顺序为UMCC–CF₃> UMCC–NH₂> UMCC > UMCC–OH。注入全氟聚醚（PFPE）润滑剂后，所有表面滑动角均低于10°，静态接触角保持在115°以上。液滴冲击实验表明，表面化学官能团显著影响液滴动力学：UMCC–CF₃表面液滴呈近球形且快速反弹，UMCC–OH表面液滴广泛铺展，UMCC–NH₂表面呈现中等铺展行为。UMCC滑溜表面在不同pH条件下滑动角稳定在6°–8°，表现出优异化学稳定性。

雾水收集性能

未注入润滑剂的UMCC-R表面集水速率较低，因纳米粒子间隙强毛细力钉扎冷凝液滴。PFPE注入后集水速率显著提升，UMCC–NH₂滑溜表面在亲水图案直径（D）0.5 mm、间距（S）2 mm时达到最高收集速率532.8 ± 85.1 mg/(h·cm²)。微观观察显示，液滴在PFPE注入表面处于润滑剂主导的Cassie-like状态，抑制钉扎效应。UMCC–CF₃表面液滴在直径～350 μm时脱落，UMCC表面需～440 μm，而UMCC–NH₂表面液滴在～800 μm时脱落，表明适度亲水性可平衡成核与迁移过程。液滴脱落受重力与钉扎力平衡调控，润滑层通过降低接触角滞后（Δcosθ）减小临界脱落体积。

结论

UMCC纳米粒子通过透析辅助工艺成功制备，并经喷雾涂层构建图案化滑溜表面。润滑注入后表面滑动角低于10°，显著提升液滴迁移能力。适度亲水的氨基官能团（—NH₂）在成核与迁移间提供最佳平衡，使图案化UMCC–NH₂滑溜表面实现最优集水性能。该研究为下一代高效集水技术提供了可控表面设计策略。

实验部分

以微晶纤维素（MCC）为原料，经吡啶中10-十一烯酰氯酯化合成UMCC。透析法制备UMCC纳米粒子，喷雾涂层沉积于基底后，通过UV平板印刷技术图案化修饰亲疏水区域，最终注入PFPE构建滑溜表面。集水实验采用垂直放置样品，在22°C、30%相对湿度下以超声加湿器模拟自然雾流，光学显微镜监测液滴行为。表征手段包括固态¹³C核磁共振（NMR）、XPS、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、DLS、TEM、扫描电镜（SEM）及接触角测量。