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  超疏高溫液體不僅與包括換熱器、油束碰撞、海水淡化和增材制造等許多工業(yè)過程相關(guān)，而且對(duì)我們的日常生活十分重要，如防燙衣物、防污廚具等。僅防燙傷言，我國每年有2600萬人被燒燙傷，每天平均7萬多人，其中嬰幼兒是燙傷高危群體。在無任何遮擋的情況下，60度的熱水接觸皮膚5秒即可造成燙傷，71度以上的熱水會(huì)在0.5秒內(nèi)迅速造成燙傷。具備超疏熱水性能的衣物可阻止熱水透過織物和人體皮膚直接接觸，從而實(shí)現(xiàn)隔熱以阻止?fàn)C傷。然而，很多超疏水表面無法實(shí)現(xiàn)超疏熱水，其困難主要來自于三方面：1. 表面物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)組分被熱水破壞；2. 熱水的表面張力更低；3. 水蒸氣在表面上冷凝。

  為實(shí)現(xiàn)超疏熱水，王立秋教授團(tuán)隊(duì)提出了蜂窩狀多孔表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），可同時(shí)克服上述三大難題。通過微流控液滴模板法，團(tuán)隊(duì)制備了聚乙烯醇（PVA）多孔表面。交聯(lián)后的PVA表面可在熱水中保持結(jié)構(gòu)的完整性，多孔表面的凹角結(jié)構(gòu)可提供向上的毛細(xì)力以支撐低表面張力的液體從而阻止其潤濕，通過控制微孔的尺寸可防止冷凝導(dǎo)致的表面潤濕。

圖1. (a-b) 孔狀結(jié)構(gòu)SEM圖, (c-d) 針狀結(jié)構(gòu)SEM圖, (e) 表面納米涂層結(jié)構(gòu), (f) 表面納米結(jié)構(gòu)AFM圖, (g) 孔狀表面超疏熱水示意圖, (h) 針狀表面被熱水潤濕示意圖.

  近年來，王立秋教授團(tuán)隊(duì)在多孔疏液表面領(lǐng)域已取得一系列重要進(jìn)展。通過研究蒸發(fā)過程的微液滴自組裝特性，提出了基于微流控液滴模板法進(jìn)行大規(guī)模、尺寸均一、結(jié)構(gòu)可控的多孔表面的制備 (Small Methods, 2018, 2, 1800017)；由于多孔表面的互連凹角特性，完美模仿了跳蟲的表皮結(jié)構(gòu)，該多孔表面解決了疏液性和機(jī)械強(qiáng)度之間魚和熊掌的矛盾 (Nat. Commun., 2017, 8, 15823)；通過控制多孔表面上各向異性的結(jié)構(gòu)特征，單一表面可實(shí)現(xiàn)在任意液體中超疏任意一種與其不相溶的液體 (Mater. Horiz., 2018, 5, 1156-1165)。研究團(tuán)隊(duì)在本工作中進(jìn)一步證明多孔表面具備超疏熱水的優(yōu)異性能。

  自然界中常見的超疏水表面多由離散的微納米結(jié)構(gòu)（顆粒狀、針狀、柱狀等）組成，如著名的荷葉表面。這類表面的優(yōu)點(diǎn)是具有很小的固液接觸面積，從而具備優(yōu)異的超疏水性能（接觸角大、滾動(dòng)角�。瞧錂C(jī)械性能和疏液穩(wěn)定性較差，超疏熱水性能不理想。研究團(tuán)隊(duì)提出的多孔表面與此類表面相反，其連續(xù)的孔狀結(jié)構(gòu)具備更高的機(jī)械性能和疏液穩(wěn)定性，從而具備更好的超疏熱水能力。團(tuán)隊(duì)通過對(duì)比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱水液滴在孔狀和針狀表面上的潤濕特性，證明了連續(xù)孔狀表面具有更加優(yōu)異的超疏熱水性能（圖2）。

圖2. (a) 針狀表面靜態(tài)熱水液滴接觸角, (b) 孔狀表面靜態(tài)熱水液滴接觸角, (c) 針狀表面動(dòng)態(tài)熱水液滴連續(xù)碰撞, (d) 孔狀表面動(dòng)態(tài)熱水液滴連續(xù)碰撞

  熱水超疏的能力與三個(gè)時(shí)間尺度相關(guān)：熱水液滴的蒸發(fā)時(shí)間te、熱水液滴與固體表面的接觸時(shí)間td和水蒸氣的冷凝時(shí)間tc。對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱水液滴，只有分別當(dāng)te

  實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于針狀表面，孔狀表面由于具備超疏熱水特性，從而具有更好的隔熱效果，有望用作保護(hù)層實(shí)現(xiàn)防燙衣物的設(shè)計(jì)和制造。同時(shí)，該表面還可用于數(shù)字微流控技術(shù)，作為液滴微反應(yīng)器的襯底表面進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng)（圖3）。

圖3. (a) HCl 和NaOH在針狀表面進(jìn)行中和反應(yīng), (b) HCl 和NaOH在孔狀表面進(jìn)行中和反應(yīng), (c) 中和反應(yīng)時(shí)針狀表面出現(xiàn)大量氣泡, (d) 中和反應(yīng)時(shí)孔狀表面氣泡幾乎不可見, (e) 中和反應(yīng)時(shí)的溫度分布(上：針狀表面；下：孔狀表面)

  相關(guān)工作以“Topography-Directed Hot-Water Super-Repellent Surfaces”為題，近期發(fā)表于《Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.201900798)上。博士后朱平安是該論文的第一作者，王立秋教授是該論文的通訊作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900798