一种绿色柔性超疏水表面的“图案延展”纳米压印技术及其在摩擦与流体阻力降低中的应用研究

《Langmuir》：Green and Flexible Superhydrophobic Surfaces for Friction and Drag Reduction Using “Pattern Elongated” Nanoimprinting

本文研究报道了一种利用“图案延展”热纳米压印技术制备绿色柔性超疏水表面的方法。为解决传统超疏水表面制备工艺复杂、成本高昂的问题，研究人员以铝表面沸水处理生成的勃姆石纳米结构为模板，将其压印到聚乙烯（PE）薄膜上，通过脱模时的拉伸效应形成了高密度的纤维状结构。所获表面展现出高接触角、低滞后角及极低的界面摩擦力（约7 μN）。计算流体动力学（CFD）模拟表明，此类表面在微通道、矩形管道及开放表面等不同应用场景下，可分别实现高达30%、16%和22%的压降（阻力）降低，在微流体及海事减阻领域具有显著应用潜力。

　　

在众多工业与科技领域，对表面的润湿性控制是提升性能与效率的关键。超疏水（superhydrophobic）表面因其独特的拒水、自清洁、防污、防冰及减少流体摩擦等特性，在热交换器、微流控芯片、船舶减阻等方面展现出巨大潜力。然而，传统的超疏水表面制备方法往往依赖于复杂的工艺、昂贵的设备（如等离子体处理、化学气相沉积）或产生化学废物的湿法工艺，这限制了其大规模、低成本的应用。因此，开发一种快速、简单、环境友好且易于规模化生产的超疏水表面制备技术，成为该领域亟待解决的问题。

为应对这一挑战，一篇发表在《Langmuir》上的研究提出了一种创新性的解决方案。研究人员采用了一种名为“图案延展”（pattern elongated）的热纳米压印技术，以经过简单沸水处理（即勃姆石化，boehmitization）而随机纳米结构化的铝板作为模板（master），在柔性的、本身具有疏水性的聚乙烯（PE）薄膜上复制并延展出高密度的纤维状纳米结构，成功制备出具有优异减摩减阻性能的绿色超疏水表面。

作者开展研究主要采用了以下几个关键技术方法：首先，通过将铝板在沸水中浸泡5分钟，快速制备出具有~250纳米勃姆石纳米结构的可重复使用铝模板。其次，采用改良的热压印工艺，在130°C和2-2.5 MPa压力下将模板图案转移到PE薄膜上，并在70°C脱模，利用PE的高拉伸性和模板的亲水性实现图案的拉伸，形成高度延展的纤维状结构。对制备的表面进行了接触角测量以表征其润湿性，并通过高速视频分析液滴在倾斜表面的运动来精确计算界面摩擦力。最后，利用开源软件OpenFOAM进行计算流体动力学（CFD）模拟，通过将壁面边界条件从无滑移（no-slip）改为部分滑移（partial slip），并代入实验测得的滑移长度（slip length），评估了该表面在微通道、矩形管道和开放表面三种典型流动场景下的减阻效果。

研究结果与讨论

Nanoimprinted Surfaces（纳米压印表面）

通过扫描电子显微镜（SEM）图像观察，沸水处理后的铝模板表面形成了高度约200-250纳米、平均间距200纳米的纳米结构。经过热压印和脱模后，PE表面形成了草叶状、边缘锋利的微观结构。尽管结构间距与模板相同，但其高度达到4 ± 0.5微米，约为原始模板结构的8倍。这种高长径比结构源于脱模过程中聚乙烯在亲水性铝模板上的强粘附力以及LDPE（低密度聚乙烯）本身的高拉伸性（可达原长的300%），这对于后续的润湿性和摩擦性能至关重要。研究也尝试在PTFE（聚四氟乙烯）薄膜上进行压印，虽然也提升了疏水性至超疏水平，但由于PTFE在高温下的杨氏模量远高于PE，未能产生类似的延展结构。

Wetting Properties of Nanoimprinted Surfaces（纳米压印表面的润湿特性）

接触角测量结果表明，纳米压印处理使PE薄膜的静态接触角从94°大幅提升至164°，滞后角从25° ± 2°降至11° ± 2°。尽管未经处理的PE表面能（33–34 mJ/m²）高于经过C₄F₈等离子体沉积处理后的铝模板表面能（21–22 mJ/m²），但压印后PE表面的润湿特性与超疏水化后的铝模板（接触角165°，滞后角10° ± 2°）相近。这归功于压印过程中形成的延展纳米结构，其提供了强大的超疏水稳定性，弥补了材料本身表面能略高的不足。

Interfacial Friction of the Fabricated Surfaces（制备表面的界面摩擦）

通过分析10微升水滴滴在5°倾斜表面上的运动视频，研究人员量化了界面摩擦力。在超疏水纳米结构化铝表面上，液滴运动平稳，测得的平均界面摩擦力约为6.83 ± 0.02 μN，剪切应力约为5.07 ± 0.03 N/m²。而在纳米压印PE超疏水表面上，由于液滴存在弹跳现象，摩擦力计算更为复杂。最终计算出的平均摩擦力约为6.64 ± 0.64 μN，但剪切应力显著降低至2.54 ± 0.11 N/m²，约为铝表面的一半。这种更低的剪切应力被归因于压印形成的类草柔性结构起到了顺应性表面（compliant surface）的作用，而顺应性表面已知具有减摩特性。数据显示，纳米压印PE表面的界面摩擦力（约7 μN）相比标准疏水表面（约175 μN）降低了超过15倍。

Drag Reduction（减阻效果）

为了评估制备的表面在实际应用中的减阻潜力，研究人员使用OpenFOAM软件进行了CFD模拟。模拟基于实验测得的约170纳米滑移长度，将壁面边界条件设为部分滑移。模拟涵盖了三种典型场景：微通道内层流（雷诺数Re = 150）、矩形通道内湍流（Re = 27,000）以及开放表面湍流（Re = 4 × 10⁸）。模拟结果与经典理论模型进行了验证，确保了准确性。最终结果表明，与无滑移壁面相比，应用该超疏水表面后，三种场景下的压降（drag）分别显著降低了30.43%、16.13%和22.69%。这表明该表面在微流体、管道系统和船舶外壳等压力驱动流动应用中具有巨大的减阻潜力。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于“图案延展”热纳米压印的绿色、快速、低成本超疏水表面制备方法。该方法的核心创新在于利用简单沸水处理制备可重复使用的亲水性铝纳米模板，并在脱模过程中利用聚乙烯材料的柔韧性，实现了纳米结构的高度延展，从而无需额外疏水涂层即可获得具有优异性能的超疏水表面。所制备的柔性聚乙烯超疏水表面表现出极高的接触角、极低的接触角滞后以及超低的界面摩擦力（约7 μN，剪切应力约2.5 Pa）。CFD模拟进一步证实了该表面在从层流微通道到高雷诺数湍流等多种流动条件下，均能实现显著的压降降低（最高达30%）。这项工作不仅提供了一种环境友好、易于规模化的超疏水表面制造策略，而且通过系统的实验测量和数值模拟，充分论证了其在微流体器件、液体输送系统及海洋船舶减阻等领域的巨大应用前景，为节省能源和燃料消耗提供了新的材料解决方案。