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路易斯安那大学拉斐特分校费玲课题组和安徽大学孙英强课题组：关于超疏水透明材料的综述

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2020-10-19 14:59

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近年来，自清洁透明材料可在智能窗户，太阳能电池板，相机镜头和其它光电设备上应用而被广泛研究。自清洁性能可延长这些产品的使用寿命、减少甚至消除对化学清洁剂的需求以及较高的清洁人工成本、提高户外光电转化材料(太阳能电池板)的转化效率。然而超疏水性材料的表面特征通常会导致严重的光散射，从而使兼具高透光率、高机械韧性及超疏水性能材料的制备具有很大的挑战性(图1)。鉴此，研究人员进行了大量的研究以实现高透光率、高机械韧性及超疏水性能材料的制备及广泛应用。

图1 (a)自然界的超疏水表面；(b) 超疏水表面特性及应用。

为推进超疏水透明材料设计及制造方面的发展，路易斯安那大学拉斐特分校费玲教授课题组和安徽大学孙英强课题组对材料超疏水特性及光学透明性的调控机理进行了综述。本综述首先从“荷叶效应”等自然现象出发，概述了超疏水表面的构造要求。通过介绍超疏水透明材料的实际应用，阐明了开发超疏水透明材料的重要性(图2)。其次，简述了超疏水性的基本原理和不同的润湿模型。再次，介绍了透明性的基本原理、关键控制因素以及超疏水性与透明性之间的相互矛盾关系(图3)。最后，经过理论探讨，总结了实验设计方法及代表性案例研究(图4)。

图2 (a)非润湿荷叶表面宏观图；(b)荷叶表面细胞微观结构；(c)表皮细胞上的纳米级表皮蜡管；(d)不同结构表面的润湿行为；(e)水滴滑落荷叶的层次结构的示意图。[1-2]

图3 (a)层状载玻片，单个载玻片以及粉末载玻片；(b)材料结构对其光学特性的影响。[3-4]

图4 (a) 将防水纳米结构装入防护性“铠甲”微结构提高超疏水材料的机械耐磨性的示意图；(b) 磨蚀后容纳在硅微结构框架中的二氧化硅分形纳米结构的SEM图像；(c)不同超疏水材料表面机械耐磨性能比较；(d) 使用平板玻璃基板（红色）制作的铠装玻璃（蓝色）的透射光谱。照片(左)为铠装玻璃基底的透光性及超疏水性能；照片(右)为以超疏水铠装玻璃为盖板组装的太阳能电池。[5]

最后，该综述针对超疏水透明材料表面的研究进展提出了一些建议：(1)在性能表征方面，缺乏超疏水透明表面行能评估的通用测试程序。(2)在表面设计方面，计算机仿真的最新发展可以帮助优化表面结构和平衡条件，尤其是超疏水性和透明性的粗糙度，这将极大地指导实验人员的工作并显著减少时间和成本。(3)在实验方面，需要使用低成本和环境友好型的无氟材料。具有高机械强度和广泛适用性的表面对于持久的涂料应用至关重要。大面积应用需要使用具有广泛适应性，快速表面涂层和高质量涂层的方法。总之，这篇综述将帮助研究人员更好地了解、加入到人工涂层致超疏水透明材料的开发及其创新应用中。

注：

[1] H. J. Ensikat, P. Ditsche-Kuru, C. Neinhuis, W. Barthlott, Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 152-161.

[2] A. Tuteja, W. Choi, G. H. McKinley, R. E. Cohen, M. F. Rubner, MRS Bull. 2008, 33, 752-758.

[3] Dupont, Ti-pure titanium dioxide titanium dioxide for coatings, 2007.

[4] E. Brinkman, Blog to be found under http://www.betase.nl/advancedceramics/light-transmission-of-aluminium-oxide/?lang=en, 2017.

[5] D. Wang, Q. Sun, M. J. Hokkanen, C. Zhang, F. Y. Lin, Q. Liu, S. P. Zhu, T. Zhou, Q. Chang, B. He, Q. Zhou, L. Chen, Z. Wang, R. H. A. Ras, X. Deng, Nature 2020, 582, 55-59.

原文链接：

https://doi.org/10.1002/tcr.202000075

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