盡管仿荷葉超疏水表面因其獨(dú)特潤濕性在多個領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值，但大部分超疏水表面的柔韌性較低，在基體遭受較大形變時，表面微結(jié)構(gòu)難以維持，導(dǎo)致超疏水性喪失，限制了其應(yīng)用。為解決此問題，柔性超疏水薄膜被廣泛提出，而現(xiàn)有的柔性超疏水薄膜常采用PDMS、PTFE等材料為基體，通過在其上直接構(gòu)建微結(jié)構(gòu)或涂覆超疏水涂層來獲得超疏水性，但形變能力不夠理想且涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度過低，易被破壞。
日前，大連理工大學(xué)劉新教授與宋金龍研究員團(tuán)隊(duì)提出了利用激光刻蝕技術(shù)加工出的微錐孔陣列為模具，通過復(fù)制成型技術(shù)制備出超疏水超彈性薄膜。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)模具參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)了在不破壞模具和膜的條件下從模具上直接保持完整性撕膜，降低了成本，提高了加工效率。此外，超疏水超彈性薄膜可與電磁系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雨滴能量的收集和轉(zhuǎn)化。相關(guān)工作以“Fabrication and Energy Collection of Superhydrophobic Ultra-Stretchable Film”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。博士生張嘉豪為第一作者、博士生陳陽為共同第一作者，宋金龍研究員和劉新教授為論文通訊作者。 超疏水超彈性薄膜的制備過程如圖1所示。首先，利用納秒激光系統(tǒng)獲得帶微錐孔陣列的鋁模具。然后，通過勻膠機(jī)將按比例配制的硫化天然乳膠和硅丙乳液的混合液均勻涂覆在模具上。最后，經(jīng)烘干、脫模、低表面能修飾獲得超疏水超彈性薄膜。同時，探究了微錐孔尺寸對薄膜的脫模性能、微觀形貌及表面潤濕性的影響，如圖2所示。結(jié)果表明微錐孔直徑和間距均為0.1 mm的模具所得到的薄膜具有優(yōu)異的超疏水性，水滴在其上的接觸角為162°、滾動角為5°。
圖1. 超疏水超彈性薄膜的制備過程示意圖。
圖2. 微錐孔尺寸對薄膜的脫模性能、微觀形貌及表面潤濕性的影響。不同微錐孔尺寸對應(yīng)薄膜的手工脫模過程：（a）無微錐孔，（d）0.1 mm微錐孔，（g）0.6 mm微錐孔；不同微錐孔尺寸薄膜的SEM圖像：（b）無微錐孔，（e）0.1 mm微錐孔，（i）0.6 mm微錐孔；水滴在不同微錐孔尺寸對應(yīng)薄膜上的接觸角：（c）無微錐孔，（f）0.1 mm微錐孔，（j）0.6 mm微錐孔；（h）化學(xué)刻蝕脫模過程。
通過拉伸試驗(yàn)對超疏水超彈性薄膜的力學(xué)性能和潤濕性進(jìn)行測試。結(jié)果表明超疏水超彈性薄膜具有優(yōu)異的拉伸性能，其斷后伸長率高達(dá)730%。在500%應(yīng)變或最大應(yīng)變300%循環(huán)拉伸300次的條件下，仍能保持良好的超疏水性，如圖3所示。此外，通過液滴撞擊試驗(yàn)進(jìn)一步對薄膜的彈性進(jìn)行測試。結(jié)果顯示滴落在超疏水超彈性薄膜上的水滴可在撞擊表面后迅速彈離，而滴落在普通薄膜上的水滴則粘附在其表面，導(dǎo)致水滴聚集進(jìn)而減小薄膜的振動幅度，如圖4所示。
圖3. 超疏水超彈性薄膜的拉伸性能測試：（a）不同應(yīng)變下的薄膜；（b）水滴在薄膜表面的接觸角隨應(yīng)變的變化；（c）不同錐柱底端直徑下薄膜的力-應(yīng)變曲線；（d）不同錐柱底端間距下薄膜的力-應(yīng)變曲線；（e）水滴在薄膜表面接觸角和滾動角隨拉伸循環(huán)次數(shù)的變化，最大應(yīng)變約為 300%。
圖4. 水滴撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜的過程：（a）58.2 μL水滴從50 cm高處落下并撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜的過程；（b）不同水滴體積下兩種薄膜的振幅隨水滴釋放高度的變化；（c）水滴以3 mL/min的流量從50 cm的高度下落并撞擊超疏水超彈性薄膜和普通薄膜50 s后的變化過程；（d）不同薄膜的振幅隨水滴下落時間的變化。
如何實(shí)現(xiàn)雨滴能量的高效利用一直是可再生能量開發(fā)過程中亟待解決的問題；谒苽涑杷瑥椥员∧さ膬(yōu)異性能，結(jié)合電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種超疏水超彈性薄膜-磁電發(fā)生器（SFMEG），滴落在超疏水超彈性薄膜表面的水滴可快速彈離并引起薄膜振動，帶動粘附在薄膜下表面的線圈與磁鐵相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)電磁發(fā)電。系統(tǒng)地分析了磁場強(qiáng)度（B）、水滴初始高度（h）、水滴體積（V）、線圈與磁鐵間距（d）、水滴流量（ω）等不同參數(shù)對SFMEG發(fā)電性能的影響，如圖5所示。通過串聯(lián)外部電阻檢測有負(fù)載情況下SFMEG的輸出特性，結(jié)果顯示當(dāng)外接負(fù)載電阻從10 Ω增大到2020 Ω時，外接電阻兩端的電壓從0.03 V增大到0.22 V，表明SFMEG具有良好的輸出特性。同時，合理控制負(fù)載阻值有利用提高發(fā)電機(jī)輸出功率，如在負(fù)載阻值51 Ω時輸出功率達(dá)到最大211.3 μW。此外，在模擬降雨持續(xù)激勵下，SFMEG 可間歇性點(diǎn)亮發(fā)光二極管，如圖6所示。
圖5. 超疏水超彈性薄膜-磁電發(fā)生器以及水滴撞擊試驗(yàn)的輸出特性。（a）SFMEG的原理圖，它由五個部分組成：超疏水超彈性薄膜、導(dǎo)電線圈、磁鐵、亞克力管和泡沫底座；（b）SFMEG的實(shí)物圖像；（c）不同磁場強(qiáng)度下SFMEG的電流響應(yīng)隨時間的變化；圖（f）是由圖（c）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（d）不同水滴釋放高度下SFMEG的電流響應(yīng)隨時間的變化。圖（g）是由圖（d）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（e）不同體積水滴落在SFMEG上時電流響應(yīng)隨時間的變化。圖（h）是由圖（e）得出的輸出電流峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
圖6. 不同負(fù)載情況下SFMEG的輸出性能：（a）負(fù)載電壓和（b）負(fù)載功率隨外接電阻的變化；（c）SFMEG在模擬降雨激勵下可點(diǎn)亮發(fā)光二極管。
以硫化天然乳膠為原材料，通過簡單的模具復(fù)制成型技術(shù)制備了一種具有優(yōu)異拉伸性能的超疏水超彈性薄膜。探究了不同模具參數(shù)對薄膜脫模性能、微觀形貌、表面潤濕性的影響，通過一系列試驗(yàn)對超疏水超彈性薄膜的力學(xué)性能和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。同時，將超疏水超彈性薄膜與電磁系統(tǒng)結(jié)合，增強(qiáng)和擴(kuò)展了雨滴能量的收集和轉(zhuǎn)化功能，為可再生能源的開發(fā)和利用創(chuàng)造了新的機(jī)會。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400024
