在材料科學(xué)中，強(qiáng)烈排斥低表面張力液體的表面被歸類為“超疏油”，而高表面張力液體驅(qū)避劑是“超疏水”，而同時(shí)具有這兩種特性的表面則是“超全疏水”。超全疏水性表面在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中處于表面設(shè)計(jì)的前沿。

在一項(xiàng)新的研究中，J. R. Panter和在英國(guó)，美國(guó)物理系以及Procter and Gamble Co的同事開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算方法，系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)了三種關(guān)鍵的表面潤(rùn)濕性。這些包括接觸角滯后、臨界壓力和最小能量潤(rùn)濕屏障。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們建立了定量模型，并糾正了現(xiàn)有模型中不準(zhǔn)確的假設(shè)?？茖W(xué)家們將這些分析結(jié)合起來(lái)，證明了該策略在膜蒸餾和數(shù)字微流體應(yīng)用中優(yōu)化結(jié)構(gòu)的能力。通過(guò)對(duì)潤(rùn)濕性的拮抗耦合，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多層面的方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)超疏水表面，促進(jìn)了有效的優(yōu)化速度高達(dá)10000倍，這項(xiàng)研究結(jié)果現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。超疏水表面具有物理的微觀和納米結(jié)構(gòu)，允許低表面張力的液體(油和醇)懸浮在充滿蒸汽的表面結(jié)構(gòu)上。

這種液體脫落能力可以提高低粘滯阻力的液滴遷移率，具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化潛力。這些技術(shù)包括水凈化的可持續(xù)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)的抗菌戰(zhàn)略、反指紋涂層技術(shù)、減少食品浪費(fèi)和全球范圍的通用生化技術(shù)。在微加工方面的突破使復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成在微米尺度的分辨率，包括三維(3-D)打印技術(shù)，流化聚合物微柱和光蝕刻方法。盡管有這些高度通用的技術(shù)，材料科學(xué)家和物理學(xué)家仍然試圖了解如何精確地設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)，以便在實(shí)際應(yīng)用中獲得最佳性能。

一個(gè)成功的全疏水設(shè)計(jì)必須具備三個(gè)關(guān)鍵潤(rùn)濕特性，包括：(1)最大液體流動(dòng)性的低接觸角，(2)超疏油狀態(tài)穩(wěn)定的高臨界壓力，(3)防止失效的高能屏障。由于曲面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來(lái)理解這一基礎(chǔ)可能是昂貴和費(fèi)時(shí)的。在目前研究中，克服了設(shè)計(jì)超全疏水潤(rùn)濕性能的挑戰(zhàn)，首先設(shè)計(jì)了計(jì)算策略來(lái)理解結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)定義的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)影響。為了說(shuō)明多方面優(yōu)化的重要性，研究人員使用了兩個(gè)相關(guān)的例子，通過(guò)膜蒸餾和基于水滴的數(shù)字微流體凈化水。

科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種遺傳算法，可以有效地同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，速度可達(dá)10000次。這種多用途的方法可以與復(fù)雜表面微加工技術(shù)的最新創(chuàng)新相結(jié)合，為表面設(shè)計(jì)提供一種革命性的方法?？茖W(xué)家們首先模擬了沿單排表面結(jié)構(gòu)前進(jìn)和后退的液汽界面，得到了各自的接觸角和接觸角滯后(CAH，即，前進(jìn)和后退接觸角的差值)。將可變維度排列在一個(gè)正方形陣列中，并觀察到可重入幾何和雙重入幾何(具有非常低的液固接觸分?jǐn)?shù)的幾何)滯后是相同的。

通過(guò)模擬，科學(xué)家們觀察了四種主要的后退機(jī)制，并在目前研究中對(duì)它們進(jìn)行了描述和建模。隨后，利用新模型對(duì)之前研究中提出的后退模型進(jìn)行定性檢驗(yàn)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。分析了能量的變化，得到了后退變得積極有利的角度，形成了最佳后退角度。與CAH的模擬不同，臨界壓力的第二個(gè)參數(shù)對(duì)可重入或雙可重入表面幾何形狀很敏感。在臨界壓力研究中，科學(xué)家們觀察到三種破壞機(jī)制，并將它們作為結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行量化，當(dāng)將當(dāng)前研究中的量化與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)。

發(fā)現(xiàn)，以往研究中引入的、普遍使用的臨界壓力模型被大大簡(jiǎn)化了。例如，對(duì)液-汽界面形態(tài)的描述不佳，導(dǎo)致所制造的結(jié)構(gòu)比必要的小很多倍，而且在機(jī)械性能上也較弱。研究人員在本研究中開(kāi)發(fā)了一個(gè)更為復(fù)雜的模型，不僅實(shí)現(xiàn)了臨界壓力的定量精度，而且成功地模擬了所需的復(fù)雜界面形貌。在研究最小能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的第三個(gè)參數(shù)時(shí)，科學(xué)家們確定了三種失效機(jī)制。例如，表面設(shè)計(jì)的失敗可以通過(guò)一系列額外的擾動(dòng)引發(fā)，包括流動(dòng)、振動(dòng)、蒸發(fā)、冷凝、液滴沖擊、變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)或納米尺度的熱波動(dòng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，故障可以由一系列擾動(dòng)引起。為了制造出一種抗破壞的紋理，科學(xué)家們結(jié)合了最大能量通路(MEP)來(lái)考慮組合失敗的最壞情況。確定了三個(gè)過(guò)渡路徑(1)基觸點(diǎn)(BC)，(2)柱觸點(diǎn)(PC)和(3)帽觸點(diǎn)(CC)，然后量化了結(jié)構(gòu)參數(shù)空間中的每一個(gè)屏障，最后評(píng)估給定表面幾何形狀的最可能的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。對(duì)確定的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了同步優(yōu)化，以最大限度地提高臨界壓力、最大限度地降低能量屏障和最大限度地提高CAH。

為此，對(duì)用于水凈化和數(shù)字微流體的兩種膜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，遺傳算法可以有效地在參數(shù)空間中定位優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為特殊潤(rùn)濕性應(yīng)用設(shè)計(jì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方法，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了高度通用的計(jì)算技術(shù)，來(lái)研究任何與多種流體相接觸的介觀結(jié)構(gòu)表面。該多面優(yōu)化策略可以進(jìn)一步改進(jìn)，以提高可靠性和可擴(kuò)展性，并結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)，包括3d打印和平版印刷方法，以有效地設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)世界的超疏水性表面。

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參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV7328

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