金屬表面超疏水在自清潔、防腐、減阻和防冰等領(lǐng)域有著重要的潛在應用，由此受到了國內(nèi)外研究者們多年的廣泛關(guān)注，并已取得諸多研究和應用進展。
然而，當前金屬表面超疏水性能的實現(xiàn)大都仍依賴于傳統(tǒng)的二元協(xié)同設計思想，即首先在材料表面制作微/納米結(jié)構(gòu)，然后再采用低表面能有機物進行修飾。毫無疑問，這種依靠粘附涂層的設計在實際腐蝕性環(huán)境（例如海水）中很容易遭受侵蝕性離子的滲透、導致涂層分解、疏松和剝落等風險，從而引發(fā)超疏水化學耐久性的顯著下降。特別是，由于化學反應誘導的材料表面能變化會對液體滾動角產(chǎn)生顯著影響，使得超疏水表面性能難以在長時間范圍獲得良好維持。這對眾多實際應用而言，是一個長期面臨的普遍難題。
為了解決這一問題，中國科學院長春光機所微納光子學與材料國際實驗室楊建軍團隊創(chuàng)造性地提出飛秒激光元素摻雜微納結(jié)構(gòu)（FLEM）與循環(huán)低溫退火（RLA）相結(jié)合的研究方法，在金屬鋁合金表面構(gòu)建了一種以次晶相態(tài)為主導的仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)(BAT)，成功實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動超疏水效果。其中，獨特的多級微納結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)對空氣捕獲的穩(wěn)定利用，而次晶相態(tài)形成則可以大幅度地降低材料表面自由能，從而讓金屬表面展現(xiàn)了獨具特色的超疏水化學穩(wěn)定性。實驗測量結(jié)果表明，該金屬樣品即使在經(jīng)歷了長達2000小時的腐蝕性鹽水浸泡后，其表面依然能夠保持良好的超疏水性能。不僅如此，這種結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能也尤為突出，在經(jīng)過強烈的電化學反應測試后，材料表面的超疏水特性也依然能夠保持，實驗測得的腐蝕電流更是低至10-12A/cm2，較未加工樣品表面的情況降低了5個數(shù)量級。另外，研究發(fā)現(xiàn)這種自主性的超疏水金屬表面也能承受住不同酸堿溶液浸泡、紫外輻射和冷凍循環(huán)等多種苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。與此同時，該團隊與沈陽金屬研究所的馬會老師團隊攜手合作，運用從頭計算方法，從理論層面進一步驗證了次晶相態(tài)形成對于材料表面能降低和化學穩(wěn)定性提升所起的重要貢獻。
相關(guān)工作有效解決了金屬表面極端拒水性持久保持的關(guān)鍵難題，這一突破不僅為超疏水領(lǐng)域開辟了廣闊的前景，還為基于原子尺度調(diào)控的高性能材料表面設計與開發(fā)提供了全新的研究思路。該研究以題為“Durable Organic Coating-Free Superhydrophobic Metal Surface by Paracrystalline State Formation”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412850
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，通訊作者為中國科學院長春光機所微納光子學與材料國際實驗室楊建軍研究員，鄒婷婷助理研究員和沈陽金屬所馬會副研究員。中國科學院長春光機所博士生閆丹丹，沈陽金屬所博士生徐文靜為論文共同第一作者。該研究工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。
