慧正資訊：由哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）、哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所、埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)和芬蘭阿爾托大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種具有穩(wěn)定腹甲的超疏水表面，可以在水下持續(xù)數(shù)月。

該團(tuán)隊(duì)的總體策略是創(chuàng)建持久的水下超疏水表面，這種表面可以排斥血液，并大大減少或防止細(xì)菌和海洋生物（如藤壺和貽貝）的粘附，從而在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)辟了一系列應(yīng)用。

用仿生材料開(kāi)發(fā)表面

有一種蜘蛛，被稱為“Argyroneta Aquatica”，一生都生活在水下。它有數(shù)百萬(wàn)根粗糙、防水的毛發(fā)，可以將空氣困在身體周圍，形成氧氣儲(chǔ)存庫(kù)，并充當(dāng)蜘蛛肺部和水之間的屏障。這層薄薄的空氣被稱為腹甲，幾十年來(lái)，材料科學(xué)家一直試圖利用它的保護(hù)作用。

這樣做可以產(chǎn)生水下超疏水表面，能夠防止腐蝕、細(xì)菌生長(zhǎng)、海洋生物的粘附、化學(xué)污垢和液體對(duì)表面的其他有害影響。但事實(shí)證明，腹甲在水下非常不穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)室中只能保持表面干燥幾個(gè)小時(shí)。

“仿生材料的研究是一個(gè)非常令人興奮的領(lǐng)域，它將自然界中進(jìn)化的優(yōu)雅解決方案帶入人造材料領(lǐng)域，這使我們能夠推出具有前所未見(jiàn)特性的新材料。 ” SEAS材料科學(xué)和化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授，也是該論文的合著者Joanna Aizenberg表示。

“這項(xiàng)研究證明了這些原理如何能夠開(kāi)發(fā)出在水下保持超疏水性的表面，”Aizenberg補(bǔ)充道。

腹甲最大的問(wèn)題之一是它們需要粗糙的表面才能形成，就像銀鮫的毛發(fā)一樣。但這種粗糙度使得表面機(jī)械不穩(wěn)定，并且容易受到溫度、壓力或微小缺陷的任何小擾動(dòng)。

親氧表面

目前評(píng)估人造超疏水表面的技術(shù)僅考慮兩個(gè)參數(shù)，這不能提供有關(guān)水下空氣腹板穩(wěn)定性的足夠信息。研究小組確定了更大的一組參數(shù)，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、腹甲覆蓋率和接觸角的信息，這些參數(shù)與熱力學(xué)理論相結(jié)合，使他們能夠確定空氣腹甲是否穩(wěn)定。

通過(guò)這種新方法和簡(jiǎn)單的制造技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)用一種常用且廉價(jià)的鈦合金設(shè)計(jì)了一種所謂的親氧表面，該表面具有持久的腹甲，使表面保持干燥的時(shí)間比之前的實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)數(shù)千小時(shí)，甚至比活體物種的腹甲還要長(zhǎng)。

“我們使用了一種20年前理論家提出的表征方法來(lái)證明我們的表面是穩(wěn)定的，這意味著我們不僅制造出了一種新型的極其排斥、極其耐用的超疏水表面，而且我們還可以用不同的材料再次做到這一點(diǎn)?！盨EAS和Wyss研究所的前博士后研究員、該論文的主要作者Tesler說(shuō)。

適合的應(yīng)用

為了證明腹甲的穩(wěn)定性，研究人員將其表面穿過(guò)環(huán)，彎曲它，扭曲它，用熱水和冷水噴射它，并用沙子和鋼打磨它以阻止表面保持親氧性。它在水中存活了208天，并在充滿血液的培養(yǎng)皿中浸泡了數(shù)百次。它嚴(yán)重減少了大腸桿菌和藤壺在其表面的生長(zhǎng)，并完全阻止了貽貝的粘附。

“該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單性和可擴(kuò)展性使其對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很有價(jià)值，”SEAS研究生、該論文的合著者Stefan Kolle說(shuō)道?！巴ㄟ^(guò)此處所示的表征方法，我們演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的工具包，可以優(yōu)化超疏水表面以達(dá)到穩(wěn)定性，從而極大地改變應(yīng)用空間。

應(yīng)用領(lǐng)域包括生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，可用于減少手術(shù)后感染或用作支架等可生物降解的植入物。它還包括水下應(yīng)用，可以防止管道和傳感器腐蝕。

未來(lái)，它甚至可以與被稱為SLIPS的超光滑涂層結(jié)合使用，SLIPS是 Aizenberg和她的團(tuán)隊(duì)十多年前開(kāi)發(fā)的光滑液體注入多孔表面，以進(jìn)一步保護(hù)表面免受污染。