近年来，超疏水材料已应用于多个领域，包括表面自清洁、油水分离、防腐、减阻等。超疏水材料表面一般由微纳粗糙结构和低表面能物质组成，而表面微纳结构在应对外界复杂环境时展现出较差的稳定性，这严重影响了超疏水表面的实际应用。因此，为实现超疏水表面长效稳定性构筑并满足实际工业生产需求，稳定超疏水表面的构建成为研究人员日益追求的目标。

受到荷叶表面微纳结构的启发，山东理工大学鞠冠男副教授团队设计出一种新型的“双尺度”复合结构，采用牺牲微观结构保护纳米结构的策略，使得超疏水表面更加持久稳定。该团队选取了价格低廉，性质稳定的矿石石英砂微粒来构建微纳结构中的微观结构，以充当保护纳米粒子的“铠甲”。相关论文以题为Robust superhydrophobic composite fabricated by a dual-sized particle design发表在Composites Science and Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109785

如图1所示，该团队通过环氧树脂粘结剂将矿石颗粒石英砂固定于基底表面，在错综复杂的排列过程中，石英砂颗粒之间形成了大量的空隙，这为纳米颗粒提供了完美的庇护场所。此时，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和环氧树脂疏水改性后的纳米二氧化硅，通过简易的浸泡法填充至石英砂形成的空隙中。环氧树脂的存在使得纳米二氧化硅与微观粒子石英砂结合更加紧密，在经过高温固化最终形成稳定的超疏水表面。由此构建的微纳复合结构中的石英砂会优先承受外界力对超疏水表面的影响，所以疏水二氧化硅颗粒在石英砂的保护下延续了其超疏水性质，使得表面的超疏水性质更加稳定持久。

图1：稳定超疏水表面的制备过程

线性摩擦实验是对超疏水表面稳定性表征最基础以及最直观的方法，如图2，2 Kg载荷下样品（2 cm × 2 cm）在600目的砂纸上反复摩擦，每次摩擦距离为15 cm。在经过200次的线性摩擦后，表面仍然能够保持142.8°的静态接触角。此外，无论是经过刀刮、胶带剥离、紫外照射、户外、酸碱盐等复杂化境的测试，表面仍然能够保持超疏水的状态，并且始终具备自清洁性能。

图2：线性摩擦试验

此外，石英砂微粒之间形成的空隙，可为不同性能的纳米粒子提供了填充场所，实现了多种功能超疏水表面的构建。改团队将纳米粒子更换为TiO2和Fe3O4后仍然可以实现稳定的超疏水性能，并且在Fe3O4纳米粒子的存在下，可以实现磁力导航吸油进行油水分离应用。并且环氧树脂粘结剂的存在使得此策略能适用于多种基底（图3）。这充分证明了通过牺牲外部微观石英砂保护内部疏水纳米粒子的策略是成功的，这为超疏水表面进一步的实践应用提供了新的方法思路，使得此策略下构建的稳定超疏水表面有着更大的实践前景与意义。

图3：双尺度策略下粒子与基底的适用性

该研究的第一单位是山东理工大学材料科学与工程学院，硕士研究生苏成壮为第一作者，材料学院鞠冠男副教授和同济大学医学院赵新宇教授为通讯作者。此研究得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的支持。