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Adv. Mater.：荷叶与猪笼草的“嫁接”艺术
当今“荷叶”与“猪笼草”无疑是仿生界的两大耀眼明星。荷叶表面的复合微/纳复合乳突结构及疏水性蜡状物协同作用赋予其表面超疏水、自清洁特性，使其获得了“出淤泥而不染”的美誉；荷叶的这种自清洁性能被人们称为“荷叶效应”。“猪笼草”其笼唇表面的液状分泌物，使其表面显现出超润滑特性，使昆虫很难驻足，常会因“失足”滑落而被捕食。近年来，借助化学或物理的方法进行仿荷叶表面微/纳复合结构表面和仿猪笼草的超润滑液层结构表面（SLIPS）构筑成为科学界的研究热点。但是，仿荷叶结构表面很容易被磨损破坏，而且在高压、升温或高湿度环境下易失去其超疏水特性。而SLIPS在高温、高压、高湿度环境下展现出优异的疏液特性，但是其表面液滴的滑落速度相比于超疏水结构又存在明显的降低。
仿生界的明星：荷叶与猪笼草。图片来源：Adv. Mater.
近日，宾夕法尼亚州立大学的Tak-Sing Wong教授研究团队，通过将仿荷叶微纳结构和仿猪笼草超润滑结构进行有效结合，同时在表面结构中引入磁性物质，制备了具有磁控可逆超疏水/超润滑结构表面转换的智能疏液表面。
智能疏液表面超疏结构与超润滑结构转换示意图。图片来源：Adv. Mater.
研究团队通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体涂层中混入磁性羰基铁微球（carbonyl iron microspheres），涂层固化的同时，借助外界磁场作用进行取向诱导（Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 3235），构筑了取向排列的磁性微柱阵列；进一步在微柱阵列表面引入PS纳米颗粒，构筑微纳复合结构（赋予表面超疏水特性）；最后借助毛细作用力在微纳结构表面涂覆一层润滑层（赋予表面超润滑特性），形成具有磁响应性的智能表面。智能表面的磁性柱状阵列能够在外界磁场的作用下进行取向的可逆转变。为了保证实现超疏水结构到超润滑结构的转换，需要对表面的结构参数、微柱阵列的物性参数进行合理的设计。
智能疏液表面的构筑及其表面微纳结构智能调控。图片来源：Adv. Mater.
文中研究人员分别对智能表面处于超疏水状态和超润滑状态时，表面的疏水特性、水滴滑落速度等性能参数进行了详细的统计分析。当处于超疏状态时，水静态接触角大于150°、滚动角小于5°（15 μL水），其水滴滑落速度大于0.1 m/s（表面倾斜20°，We < 6）；但是当We更高时，水滴在其表面则呈现锚定状态。当处于超润滑状态时，水静态接触角为102.8° ± 2.5°、滚动角 9° ± 3°（15 μL水），其水滴滑落速度小于0.1 m/s（表面倾斜20°，We < 6）；而且当We更高时，其表面仍能够保证润滑状态，保证表面水滴在重力作用下滑落。同时，研究表明智能表面两种状态之间的转换非常迅速（< 0.1 s），而且表面特性具有良好的可逆循环稳定性（大于30,000循环）。
智能表面处于不同结构状态时其表面水滴滑落速度测试。图片来源：Adv. Mater.
借助两种状态的可逆迅捷转换，在不同湿度、水滴低落速度、环境温度等条件下，智能表面能够保证具有较快的水滴滑落速度（低湿度等条件，超疏结构起主要作用）或保持疏液特性（高湿度、高压等环境下，超润滑结构起主导作用）。基于此种特性，该体系在雾气（湿气）收集方面展现出良好的效果。
通过超疏/超润滑状态转换进行雾气（湿气）收集。图片来源：Adv. Mater.
—— 总结 ——
研究团队通过精确的表面几何结构参数和表面物质组成/物性等参数设计，实现了仿荷叶超疏结构与仿猪笼超润滑层结构的有效结合，并且借助磁性组分的引入，实现了表面两种结构的智能可逆转换。虽然该成果主要集中在疏液材料方面的研究，但是该研究的设计理念能够进一步扩展到其他功能性仿生界面的构筑。同时，该研究成果与软刻蚀、喷墨打印等微纳结构构筑技术展现出较好的兼容性，适于进行进一步拓展开发。
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604641/abstract
A Switchable Cross-Species Liquid Repellent Surface
Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604641
（本文由甲子湖供稿）