工程超耐用涂层能够抵抗不同相(液体，蒸汽或固体)物质的吸积，同时赋予多功能，这对于许多实际应用至关重要，例如航空/海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，海洋工程，建筑工程，海洋工程和海洋工程等。然而，通过结构设计来设计一种能够显示所有这些首选特性的涂层似乎是相互排斥的。首先，在涂层上引入粗糙的结构是防液的首选方法，但是，这样做也会导致很强的局部透气性，与固体颗粒的粘附性很大，并降低机械强度。因此，降低涂层的表面能会降低其对液体和固体的吸积能力，但是，涂层表面能的降低会降低其对液体和固体的吸积能力，因此，涂层的表面能会降低其对疏水表面的吸积能力，从而导致基体内部化学键的限制和与基体的弱附着力。
开发通用的、可扩展的、耐用的涂层，抵抗各种操作环境中物质(液体、蒸汽和固相)的吸附，对于工业应用来说是很重要的，但也被证明是具有挑战性的。近日，东南大学张友法教授、香港理工大学王钻开教授、电子科技大学邓旭教授和上海交通大学李万博副教授等人合作报道了一种不需要复杂结构和制造工艺的单元胞涂层，它具有拒液、防蒸汽和固体脱落的能力。其关键在于设计由刚性微壳和可释放的纳米种子组成的基本单元胞，它们共同充当刚性屏蔽和与基质和衬底化学结合的桥梁。
这种单元胞涂层具有较强的耐磨性和抗各种物质的抗侵蚀性，在1000小时以上的海水中增强了抗腐蚀能力，并在复杂的相变条件下保持干燥。单元胞可以浸渍成不同的基质，通过可扩展的喷涂，方便大规模生产。这项策略为工程超耐用涂料的广泛应用提供了通用的设计蓝图。这项工作以“Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。
在这里，作者提出了一种将结构和功能坚固性集成在一个涂层中的单元胞设计方法。如图1a所示，关键在于设计一个由刚性微壳和可释放的纳米种子组成的单元胞单元或单元胞。单元胞是机械化学控制，赋予涂层的超耐久性。从机械上讲，当施加的载荷小于其临界断裂点时，单元胞就像一个强大的屏障，保护表面结构。然而，在更大的载荷下，顶部的单元胞可以被破坏，纳米种子在剪切力的作用下立即释放，具有剪切适应性释放，从而保持拒水性。化学上，作者利用单元胞的非均质化学，将纳米种子完全盐化，部分盐化外壳，从而使单元胞与基质具有很强的结合强度，同时保持全局超疏水性。正如密度泛函理论(DFT)模拟所探究的那样。这些单元胞也很好地分散在各种基质中，以同时设计具有强机械耐久性和多功能性的单元胞涂层。
在作者的设计中，分别选择多孔硅藻土、二氧化硅纳米球和环氧树脂作为外壳、种子和基质。单元胞包衣的制备分为三个步骤:硅化壳和种子，形成单元胞，将单元胞悬浮在基质中。在第一步中，分别控制硅氧烷的添加量，使壳和种子硅化，使单元胞化学不均匀。然后在乙酸丁酯中剧烈搅拌，将种子浸渍在壳中，形成单元胞。制备的单元胞最终稳定地分散在环氧树脂中，环氧树脂是一种具有代表性的多用途基质，从而形成涂层悬浮液。涂层悬浮液可在80℃下喷涂1小时，在各种基材(如玻璃、金属、陶瓷、聚合物复合材料、纸张、海绵等)上形成共价键合涂层。
图3. 多孔涂层的机械坚固性(涂层厚度~80 μm)
图4. 可持续应用的多孔涂层多相驱避(涂层厚度~80 μm)
作者进行了显微测试，以证明基本单元胞的强化作用。图2a绘制了纳米压痕测试中单个单元胞的载荷-位移曲线。断点出现在3.2 mN，对应于单元胞断裂的开始。一旦注入到涂层中，基本单元胞就会作为一个机械屏障，承受主要的应力，保护纳米种子在低于3.2 mN的载荷下免受机械划伤。
与此形成鲜明对比的是，在不使用基本单元胞的情况下，如纳米种子涂层所示，涂层很容易被穿透，甚至从基体上刮掉(图2a, b)。与对照样品(即单壳涂层、单杂交种子涂层和单纳米种子涂层)相比，单元胞涂层在硬度和弹性模量方面都有显著提高(图2c)。
当进一步增加超过临界力的载荷时，我们观察到单元胞的断裂，这导致存储的纳米种子在受损区域瞬间释放，从而保持表面粗糙度(图2d-f)。然后，作者分别研究了单元胞涂层对Taber磨损和射流刺穿的机械耐久性。作者发现，无论使用何种基质，单元胞涂层都可以在1千克载荷下承受1000次磨损循环(图3a、b)，这表明强化效果主要来自单元胞而不是基质。相比之下，所有的对照样品，包括单独的纳米种子、单独的壳、混合单独的种子涂层、单独的基质涂层和商业超疏水涂层，在经过几十次磨损循环后，都被磨损并失去了拒水性，如图3b所示。
综上所述，作者提出的蜂窝设计解决了结构、化学和表面/体相性能方面的矛盾要求，并实现了防水涂层的超耐久性。所有使用的材料都是商业上可用的和环保的，并且可以大规模制备。作者进一步证明了由氟化物质制成的单元胞涂层的超耐久性，这种蜂窝涂层在其他实际应用中也很有前景，如防潮、减阻、防污、辐射冷却和能量收集。
Ultra-durable superhydrophobic cellular coatings. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41675-y)
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41675-y
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