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  近日，考古探測與文物保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)）曹頤戩、董文強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合意大利佛羅倫薩大學(xué)Camaiti、Baglioni團(tuán)隊(duì)在膠體與界面科學(xué)領(lǐng)域頂刊《Advances in Colloid and Interface》（IF=16.0），以“Superhydrophobic surfaces for the sustainable maintenance of building materials and stone-built heritage: The challenges, opportunities and perspectives”為題發(fā)表前瞻性綜述。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生陳泓一為第一作者，通訊作者為曹頤戩、董文強(qiáng)和Mara Camaiti。

圖1 建筑材料、石質(zhì)遺產(chǎn)典型表層風(fēng)化

• 綜述了超疏水表面設(shè)計(jì)和應(yīng)用的最新進(jìn)展。
• 聚焦于阻礙超疏水表面規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
• 深入討論了耐久性、透明度、抑菌性和環(huán)境/健康風(fēng)險(xiǎn)等4個主要瓶頸及其形成機(jī)制。
• 針對4個關(guān)鍵瓶頸，介紹并系統(tǒng)評估了相應(yīng)的新興改善策略。
• 結(jié)合建筑材料和石質(zhì)遺產(chǎn)本體特性，探討了未來超疏水表面研發(fā)前景。

  仿生超疏水表面在建筑材料、石質(zhì)遺產(chǎn)表面維護(hù)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。在露天環(huán)境中，石材、混凝土、磚、瓦和灰漿等建筑材料的風(fēng)化會對整個建筑的結(jié)構(gòu)、功能和外觀造成嚴(yán)重危害，這引起了全世界越來越多的關(guān)注。超疏水性表面具有抑制液體附著/滲透、自發(fā)表面自潔和阻礙細(xì)菌細(xì)胞附著等功能，是理想的多功能保護(hù)涂層。然而，盡管其多功能性很吸引人，近年來也有大量材料被報(bào)道，但阻礙其規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用的幾個缺陷仍未得到有效解決，包括化學(xué)/機(jī)械/耐候性差、透明度低、在潮濕環(huán)境中抑菌效果不足、制備過程使用有毒和不環(huán)保的原材料等。本文綜述了當(dāng)面面臨的關(guān)鍵瓶頸，并深入探討了其背后的機(jī)理。然后，針對瓶頸的具體改善策略進(jìn)行了詳細(xì)分類討論。此外，考慮到建筑材料的物理化學(xué)性質(zhì)，以及石質(zhì)建筑遺產(chǎn)保護(hù)和露天應(yīng)用環(huán)境的特殊要求，對新興策略的可行性和利弊進(jìn)行了綜合評估，最后概論了該領(lǐng)域的未來發(fā)展前景。

  本文全面概述了超疏水材料的制備、應(yīng)用和性能方面的挑戰(zhàn)，以及其在建筑材料、石材遺產(chǎn)保護(hù)應(yīng)用中的瓶頸、機(jī)遇和前景。由于超疏水表面特殊的潤濕性能，其高靜態(tài)水接觸角可以減少建筑材料因水而產(chǎn)生的劣化；低滑動角度有助于清理表面污染物，有助于恢復(fù)石質(zhì)遺產(chǎn)原始外觀和藝術(shù)特征。因此超疏水材料在建筑和石質(zhì)遺產(chǎn)可持續(xù)保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

  但在實(shí)際應(yīng)用中，超疏水材料仍然有其缺陷。首先，在露天工作環(huán)境中，超疏水表面會遭受如物理磨損、化學(xué)腐蝕、生物繁殖、環(huán)境老化等破壞。在此過程中，材料表面微納粗糙結(jié)構(gòu)的損傷和/或低表面能物質(zhì)的消耗，會縮短超疏水表面工作壽命。耐久性不足是制約超疏水表面實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸之一。同時，露天環(huán)境中存在生物繁殖的風(fēng)險(xiǎn)，而超疏水表面只能抑制微生物的粘附，而不能直接殺死微生物，其抑菌性能不足。此外，如果在歷史建筑和文物保護(hù)中使用超疏水材料，必須考慮其對基材表面色彩和藝術(shù)特征的影響。這些具有特殊歷史和藝術(shù)價值的基材要求表面保護(hù)涂層具有高透明度。然而，超疏水表面的微納粗糙結(jié)構(gòu)可能引起米氏散射而降低透明度。因此，超疏水性能和表面透明度相矛盾，需進(jìn)一步平衡。最后，由于制備中通常使用大量含氟化物質(zhì)、納米材料，超疏水表面會帶來潛在的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。為了改善上述瓶頸，我們對新興策略進(jìn)行了深入討論。必須注意的是，考慮到超疏水表面露天的工作環(huán)境，以及面向天然/合成建筑石材、石質(zhì)建筑和文物保護(hù)的特殊需求，并非所有新開發(fā)的方法都適用。

圖2 論文圖片摘要

圖3 超疏水表面失效機(jī)理

圖4 構(gòu)建堅(jiān)固微結(jié)構(gòu)的超疏水表面設(shè)計(jì)策略

圖5 構(gòu)造保護(hù)性盔甲的超疏水表面設(shè)計(jì)策略

圖6 引入自修復(fù)體系的超疏水表面設(shè)計(jì)策略

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0001868624002665?dgcid=coauthor#f0080

通訊作者簡介

  曹頤戩，博士，副教授，兼任考古探測與文物保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任；先后在意大利獲碩士、博士學(xué)位，并在意大利國家研究委員會地球科學(xué)與地質(zhì)資源研究所工作。圍繞文物保護(hù)技術(shù)研究，主持國家自然科學(xué)/社會科學(xué)基金等項(xiàng)目多項(xiàng)，參編英文專著2部，發(fā)表論文20余篇，相關(guān)技術(shù)成果在意大利威斯尼Chiesa degli Scalzi教堂修繕工程、Laporecchio教堂壁畫修復(fù)工程規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用效果榮獲國際文物修復(fù)獎2項(xiàng)，并受到英國泰晤士報(bào)、香港南華早報(bào)、新華社和光明網(wǎng)等國內(nèi)外主流媒體報(bào)道和好評。

  董文強(qiáng)，博士，研究員，現(xiàn)任考古探測與文物保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與考古研究中心主任，“一帶一路”文化遺產(chǎn)國際聯(lián)合研究中心陜西省國合基地主任，“一帶一路”文化遺產(chǎn)國際合作聯(lián)盟秘書長，兼任中國文物保護(hù)技術(shù)協(xié)會文物保護(hù)技術(shù)裝備專委會主任、中國文物保護(hù)技術(shù)協(xié)會工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)專業(yè)委員會副主任委員；主持文化遺產(chǎn)領(lǐng)域國家級、省部級等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題2項(xiàng)，文旅部項(xiàng)目1項(xiàng)，擔(dān)任陜西省“兩鏈融合”文化遺產(chǎn)保護(hù)利用重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席專家；擔(dān)任重載無人機(jī)文物勘測任務(wù)艙總設(shè)計(jì)師；出版各類教材、學(xué)術(shù)專著5部，獲省部級獎項(xiàng)4項(xiàng)。

  Mara Camaiti，意大利國家研究院地球科學(xué)與地球資源研究所資深研究員，意大利博洛尼亞大學(xué)、佛羅倫薩大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)科學(xué)專業(yè)客座教授，意大利知名文物保護(hù)專家。主要研究方向?yàn)榇u石質(zhì)文物保護(hù)與修復(fù)，主持完成Loggia del Lanzi、Basilica di Santa Trinita、Chiesa degli Scalzi等10余項(xiàng)意大利地標(biāo)性古建筑修繕工程，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近百篇，出版專著3本。