近年來，仿生超疏水、超雙疏和超滑涂層等特殊潤濕性涂層、材料快速發(fā)展。然而，上述仿生特殊潤濕性材料普遍存在機械穩(wěn)定性差、制備方法復雜昂貴、低表面能液體易粘附和基底材料性質(zhì)依賴性強等問題，成為其實際應用的瓶頸因素。

　　在硅烷聚合物特殊潤濕性涂層、硅酸鹽黏土礦物及其納米復合材料方面的研究基礎上，中國科學院蘭州化學物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室研究員張俊平團隊，在基于硅烷和硅酸鹽黏土礦物的特殊潤濕性材料研究取得系列進展，制備了性能優(yōu)異的硅烷聚合物納米纖維（SNFs）超雙疏、超滑涂層，粗糙表面硅烷聚合物穩(wěn)定超疏水涂層，硅烷聚合物/黏土納米復合超疏水、超雙疏涂層和硅烷聚合物超疏水、超雙疏3D泡沫材料。

　　圖1.(a)基于長鏈硅烷的SNFs透明超雙疏涂層和(b)蒸發(fā)導致的仿豬籠草超滑表面向仿荷葉超雙疏表面的轉(zhuǎn)變

　　SNFs超雙疏、超滑涂層

　　通過簡單地控制甲基三氯硅烷的氣相沉積或液相聚合，可在各種表面上（如棉布、羊毛、絲綢、聚氨酯纖維、木材、醋酸纖維素、玻璃、石英、硅片、鈦合金和鋁箔等）形成SNFs超疏水涂層。然而，SNFs的制備局限于小分子硅烷，由于空間位阻較大，長鏈烷基硅烷無法形成SNFs結構。通過引入正硅酸乙酯或四氯硅烷，減小聚合反應的空間位阻，首次采用長鏈烷基硅烷制備SNFs，一步反應制備了透明超雙疏涂層（圖1a）。

　　通過將低表面能全氟聚醚液體鋪展于氟化處理的SNFs表面上，制備仿豬籠草超滑表面。研究表明，液滴在超滑表面上的運動速度遠遠小于在超疏水表面上的運動速度，而且表面的納米結構和傾斜角度、低表面能潤滑劑的黏度和液膜厚度及液滴的理化性能都會對液滴的運動速度產(chǎn)生較大的影響。另外，對超滑表面上液體膜蒸發(fā)引起的仿豬籠草超滑表面向仿荷葉超雙疏表面轉(zhuǎn)變的過程進行研究（圖1b）。研究發(fā)現(xiàn)，在向超雙疏表面轉(zhuǎn)變的過程中存在一個高粘附過渡態(tài)，各種表面能的液滴在該過渡表面上都處于Wenzel狀態(tài)，牢固粘附于表面，導致其喪失自清潔性，制約其實際應用。

　　粗糙表面硅烷聚合物穩(wěn)定超疏水涂層

　　機械穩(wěn)定性差是限制超疏水表面和超雙疏表面實際應用的瓶頸因素。為此，通過硅烷的篩選并控制反應條件，制得新型硅烷聚合物；采用浸涂法制備無氟穩(wěn)定超疏水織物，具有優(yōu)異的耐摩擦、耐機洗和耐干洗性能（圖2a）。在此基礎上，通過與磁性納米粒子、光催化材料和多巴胺等結合，制備磁性油水分離海綿、光催化油水分離材料和自清潔抗生物粘附材料等（圖2b）。

圖2.(a)硅烷聚合物穩(wěn)定超疏水織物和(b)特殊潤濕性薄膜用于水體凈化

　　硅烷聚合物/黏土礦物納米復合超疏水、超雙疏涂層

　　在上述研究工作基礎上，首次在硅烷聚合反應過程中引入凹凸棒石和碳納米管等纖維狀納米材料，合成一系列新型硅烷聚合物納米復合材料，在多種基底材料上制備穩(wěn)定超疏水、超雙疏涂層，涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的機械、化學和環(huán)境穩(wěn)定性和一定的自修復性。研究表明，凹凸棒石在構筑超疏水、超雙疏涂層方面優(yōu)于膨潤土、海泡石和高嶺石等其他黏土礦物。在此基礎上，拓展了其在藥物控釋和液體彈珠（圖3a）等領域的應用，實現(xiàn)了空氣層調(diào)控的藥物控釋和不同表面能液體彈珠的可控制備。此外，通過控制硅烷在凹凸棒石表面的水解縮合反應，制備水性超疏水涂層，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能（圖3b）。

圖3.基于凹凸棒石的(a)超雙疏涂層和(b)水性超疏水涂層

　　瑪雅藍是一種具有艷麗色彩的有機-無機復合顏料，由凹凸棒石和一種來自植物的靛藍分子復合而成，古代瑪雅人將其廣泛應用于壁畫、陶器和雕刻中。瑪雅藍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，長年累月的氣溫變化和潮濕的空氣也無法使它褪色。在前期類瑪雅藍顏料和仿生自清潔涂層的研究基礎上，研究人員首次將類瑪雅藍顏料與超疏水、超雙疏涂層相結合，制備了色彩豐富的自清潔（刺激-變色）類瑪雅藍顏料和涂層（圖4）。超疏水、超雙疏涂層的引入，顯著提高了類瑪雅藍顏料的穩(wěn)定性，并賦予其自清潔性能。

圖4.(a)基于類瑪雅藍顏料的彩色超疏水涂層和(b)溶劑致變色自清潔類瑪雅藍顏料

　　硅烷聚合物超疏水、超雙疏3D泡沫材料

　　與超疏水、超雙疏涂層不同，超疏水、超雙疏3D泡沫材料具有獨特的3D多孔結構，結合仿生涂層的特殊潤濕性和3D泡沫材料的多孔結構，在油水分離等諸多領域具有廣泛的應用前景。目前，普遍采用表面涂覆的方式在傳統(tǒng)3D泡沫材料表面（如聚氨酯、三聚氰胺海綿等）引入超疏水涂層，超雙疏3D泡沫材料報道極少。為此，通過控制硅烷的水解縮合，經(jīng)一步反應或模板法制備了超疏水硅烷聚合物3D泡沫材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性能、穩(wěn)定性和彈性（圖5a）。在此基礎上，通過氟硅烷的進一步水解縮合，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌p疏硅烷聚合物3D泡沫材料，并進一步提高其力學性能和耐溫性（圖5b）。另外，通過NaCl模板法制備了PDMS高強度3D泡沫材料。

圖5.(a)超疏水和(b)超雙疏硅烷聚合物3D泡沫材料

　　研究工作得到了中科院百人計劃、國家自然科學基金和江蘇省科技支撐項目的資助。