液体超铺展，即液体在材料表面上快速且完全地铺展，在学术研究和实际应用中具有重要意义。液体超铺展过程产生的剪切液流以及形成的均匀稳定限域液层在功能纳米材料的组装和限域合成中具有广阔的应用潜力。为推动该领域的发展，
武汉理工大学
张鹏超研究员
团队联合中科大苏州高等研究院
赵创奇研究员
团队
近日在国际著名期刊《ACS Nano》上发表题为“Recent Advances in Superspreading-based Confined Synthesis and Assembly of Functional Nanomaterials”的综述论文，
对液体超铺展的独特性质和设计原则、基于液体超铺展的功能纳米材料限域合成与组装以及其相关应用等方面的前沿进展进行了系统梳理与深入探讨。
由江雷教授提出的仿生超浸润界面体系在许多领域带来了革命性的技术。其中，超亲水性，即液体在表面上完全铺展接触角为 0°，在自清洁、抗生物污垢和油/水分离等应用领域的独特优势而引起了人们的广泛关注。特别地，液体超铺展，即液体在几秒钟内迅速且完全地铺展，会形成稳定且均匀的液层，可以用于高效的限域合成，同时液体超铺展过程中产生的剪切液流可以用于功能纳米材料的自组装（图 1）。与超亲水性相比，液体超铺展还需要考虑铺展时间，即液体在表面完全铺展至接触角达到 0°所需的时间。超铺展时间是一个至关重要的参数，特别是当其用于自组装、液体分离、化学反应等与时间有关的应用时。
图1. 基于超铺展的功能纳米材料限域合成与组装
液体和表面的物理化学性质对于实现液体超铺展至关重要（图2）。为了实现液体超铺展，研究人员开发了多种策略，包括调控液体表面张力、表面结构和表面化学组成等。液体超铺展的概念最早在20世纪60年代被提出，通过表面活性剂负载的水滴在表面上实现了液体超铺展，铺展时间在数十秒。该过程中表面活性剂分子在气/液/固界面的吸附导致表面张力梯度，形成了内部水流动的双层结构，从而引发马兰戈尼流，驱动液体超铺展行为。实现液体超铺展的另一种有效策略是在固体表面引入微/纳米结构。根据Wenzel方程，当表面粗糙度诱导的毛细力大于毛细阻力时，本征亲水表面（水接触角<65°）可以达到超亲水性，从而促进液体超铺展。在最近的几十年里，各种独特的表面结构，包括纳米纤维阵列、微/纳米结构、纳米多孔结构和纳米纤维多孔结构，被报道用于实现液体超铺展。此外，具有亲疏水官能团交错的平面，如硅片和TiO
2
晶体表面，也可以实现液体的超铺展。研究人员通过化学处理在硅表面制备了具有亲疏水交替纳米域的表面，亲水纳米域形成二维毛细力，帮助水穿过疏水纳米域，在10秒内实现液体超铺展。
图 2. 传统实现液体超铺展的策略
准液态凝胶表面为开发液体超铺展提供了一种新的途径。凝胶由大量液体通过氢键、范德华力和疏水相互作用等弱相互作用包裹在三维交联聚合物网络中。一方面，交联的聚合物网络保持了凝胶的类固体形状；另一方面，包裹的液体赋予凝胶表面类液体特性，使其与固体表面不同。研究人员通过构筑液/液/凝胶铺展体系，实现了水溶液在油相下水凝胶表面的超铺展，并形成了稳定且均匀的限域液层。
上述液体超铺展体系在多个领域展现出巨大的应用潜力。例如，在化学修饰的平滑表面和准液态凝胶表面上，液体超铺展能够形成稳定且均匀的限域超铺展液层，通过将反应物引入液相、超铺展液层和/或凝胶基底中可以用于功能纳米材料的可控合成。并根据反应的类型，可分为两类：发生在超铺展液层/液体或超铺展液层/基底界面的界面反应，以及发生在超铺展液层内部的体相反应（图3）。举例来说，通过将反应物分别引入水相和超铺展油相中，可以通过界面聚合制备功能性聚合物薄膜。利用界面聚合、交联聚合、结晶反应、银镜反应等反应，研究人员基于液体超铺展限域合成策略实现了聚合物薄膜，聚合物电解质膜、MOF/COF膜以及金属导电薄膜等一系列功能纳米膜材料的可控制备。
图 3. 基于超铺展的功能纳米材料限域合成
此外，液体超铺展过程能够产生超强剪切液流，可以用于实现功能纳米材料的高度有序组装（图4）。在液体超铺展过程中，面内产生的强大剪切力使二维纳米片沿界面有序排列。同时，钙离子从水凝胶快速扩散到超扩散层中，诱导了海藻酸钠的离子交联，从而使层状氧化石墨烯纳米片固化，并在几分钟内形成层状氧化石墨烯/海藻酸钙纳米复合材料，具有高效率和普适性。
图 4. 基于超铺展的纳米材料组装。
基于液体超铺展的限域合成和组装策略为制造具有优异的机械、化学和电学特性的聚合物薄膜、层状纳米复合薄膜和纤维提供了一种高效的方法。例如，研究人员可以精确控制纳米材料的排列和集成，显著提高纳米复合材料的力学性能。此外，开发了功能性聚合物薄膜和层状纳米复合材料，为高效膜分离、柔性介电储能和电子器件等新兴应用领域提供了新的解决方案（图5）。
