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近日，加拿大阿爾伯塔大學曾宏波教授團隊提出了一種不使用特殊儀器、在水環境中通過表面引發乳液聚合的方法，在表面將含氟單體納米液滴轉化成固體微粒，從而成功制備出超疏水表面。該表面不僅具有良好的超疏水性、穩定性和防污性能，而且可以通過控制反應時間和單體液滴密度獲得不同疏水性的表面。

基于此，具有疏水性梯度的超疏水表面也在單體-水乳液體系中被成功制備。相關工作以“Fabricating Tunable Superhydrophobic Surfaces Enabled by Surface-Initiated Emulsion Polymerization in Water”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。龔露博士為該論文第一作者。

超疏水表面表征和性質

制備的超疏水表面在空氣中具有很大的接觸角和很小的接觸角后滯現象。如SEM和EDS圖所示，超疏水表面分布有大量含氟的固體納米微粒，同時固體微粒聚集成微米級別的結合體，從而使表面獲得優異的超疏水性。因含氟表面有極低的表面能，該表面還擁有較好疏油性。表面水洗實驗和水滴表面力測力實驗證明該表面具有良好的表面防污性能。

圖A為超疏水表面制備流程，圖B為超疏水表面，圖C為空氣中水接觸角，圖D為前進和后退接觸角，圖E為超疏水表面浸沒在水中。

圖A、B為超疏水表面的SEM圖，圖C為超疏水表面的氟元素分布EDS圖，圖D為各種有機溶劑在超疏水表面的接觸角。

圖A為水滴洗去超疏水表面的固體，圖B、C、D為含表面活性劑或生物質的 水滴與超疏水表面的作用力測量。

超疏水表面制備過程

通過控制乳液體系中單體液滴濃度和反應時間，不同疏水度表面可以被制備出來，而較高單體濃度體系和較長反應時間是制備超疏水表面的必要條件。

圖A、B、C為高單體液滴濃度下不同反應時間后制備的表面，圖D、E、F為低單體液滴濃度下不同反應時間后制備的表面。

同時，實驗發現當單體液滴在水中分散不充分，液滴較大時，制備的輸水表面會出現擁有三條棱脊的殼層結構；而當單體不分散，直接滴在基底上時，則會得到一層含氟的高分子薄膜。上述結果證明了在反應過程中，聚合反應只發生在單體-水界面。當單體液滴體積較小時，整個液滴可以轉化成固體；當液滴較大時，則只有界面處會發生聚合反應，其內部依舊是液體形態。

圖A、B、C為較大單體液滴情況下出現的殼層結構，圖D為單體液滴與表面分開情況下制備的表面，圖E、F、G為單體液滴不分散情況下在表面形成的聚合物薄膜，圖H為表面引發乳液聚合法制備超疏水表面的示意圖。

基于以上結果，實驗通過重力場，構建了單體液滴在水中垂直方向上密度分布的差異，從而得到了具有疏水性梯度的超疏水表面，該表面可以實現水下的氣泡定向運輸。

圖為制備具有疏水性梯度的超疏水表面以及水下氣泡在該表面上的移動。

該研究不僅避免了超疏水材料制備過程中溶劑和設備的限制，提供了智能材料制備的新思路，而且成功制備出了具有疏水性梯度的超疏水表面，擴展了超疏水材料的應用范疇。