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  我們在贊美蓮花“出淤泥而不染”這一特性時候，應該也會注意到與之襯托的荷葉是潔凈而防水的。這是由于荷葉表面具有納米尺度的粗糙形貌以及疏水的蠟質(zhì)表層；這種特殊的結(jié)構(gòu)使得在水滴和荷葉表面之間有很多微米尺度的空氣泡駐留，水滴不僅無法將表面潤濕，而且會收縮成圓球極易滑落。像荷葉這樣完全防水的表面性質(zhì)就是所謂的“超疏水特性”。具有超疏水性質(zhì)的涂層材料的應用場景很多，包括衣服自潔凈、建筑外墻防水、玻璃防霧等，因此其市場規(guī)模及潛力具大。然而目前市場上銷售的（超）疏水涂層產(chǎn)品有如下缺點：1. 疏水性偏低，耐磨性和化學穩(wěn)定性差；2. 原材料一般含氟，生產(chǎn)及應用都會對環(huán)境產(chǎn)生影響；3.生產(chǎn)成本高，大規(guī)模生產(chǎn)及應用不現(xiàn)實。而在科研方面，每年都有很多的超疏水的涂層材料見諸報導，并且絕大多數(shù)涂層都被宣稱其疏水性能非常優(yōu)異。但由于制備工藝復雜，適用范圍較小，使用操作麻煩等原因，絕大多數(shù)科研成果在實際生產(chǎn)過程中都會存在一系列難以克服的問題，最終不能轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品。這也導致目前市場上可選擇的超疏水涂層非常之少。

  針對目前超疏水涂層存在的問題，加拿大Simon Fraser大學于化忠教授團隊開發(fā)了一種全新的超疏水涂層的制備技術(shù)。該涂層基于化學計量學控制的有機硅化合物的水解和聚合反應，直接形成具有較小的表面張力的、多級結(jié)構(gòu)的微納米顆粒（圖1）。

圖1：利用化學計量學控制有機硅烷的水解和聚合反應制作超疏水涂層。基底為處理過表征載玻片。

  相比較目前商用及其他科研報導的超疏水涂層，本材料的制作和性質(zhì)具有以下特點：

• 1. 超簡化制備：本涂層采用工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)的有機硅化合物作為原料，在常溫常壓下普通機械攪拌即可完成，并且反應本身高效、可控。

• 2. 超穩(wěn)定性能：使用本涂層的玻璃基片在實驗室條件下經(jīng)過沙礫沖擊、自來水沖洗、長時間浸泡、砂紙研磨等處理后仍具有超疏水性；木板噴涂后放置于普通環(huán)境中，實測超疏水性能可保持一年以上。

• 3. 超自潔凈作用：水滴在表面成圓球狀，在材料微微傾斜的情況下迅速滑落，并輕易帶走表面灰塵。

• 4. 超廣譜適用：本涂層已經(jīng)在木材、玻璃、棉布、濾紙、鋁片、塑料等材質(zhì)表面測試，可采用最方便的浸泡或者噴涂的方法處理材料表面 （圖2）。

圖2. 在不同基底表面形成超疏水涂層及表征。

  于化忠教授團隊長期關注傳統(tǒng)硅烷化反應在表面化學和生物芯片方面的應用。前期的工作包括通過混合長鏈和短鏈硅烷與普通實驗室用濾紙進行反應，制成超疏水、可修飾的芯片基底。和太原理工大學李曉春教授團隊合作，通過光刻的方法，簡易制作點陣式紙基芯片用于環(huán)境樣品的酸堿度和污染物的定量檢測(圖3)。在此基礎上，于化忠教授的研究團隊將上述方法也用于修飾玻璃纖維濾紙，以制作沒有熒光背景的超疏水基底，用于制備更為廣泛使用的熒光掃描為檢測手段的芯片和器件。

圖3. 混和硅烷反應制作超疏水濾紙及表征。

  以上相關成果分別發(fā)表在Nature Communications (Nat. Commun. 2021, 12, 982) 和 ACS Applied Materials and Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 39728; 2020, 12, 7665)上。論文的第一作者為Simon Fraser大學化學系博士生張立身，目前在加拿大女王大學進行博士后研究工作。通訊作者為于化忠教授，第二篇文章的共同通訊作者為太原理工大學的李曉春教授。

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-021-21219-y

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08957

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b17432