马普所团队补齐固-液界面的基础理论缺失，突破纳米涂层的传统认知，推动无氟纳米涂层的应用

“我们完善了固-液界面的基础理论，突破了人们对于纳米涂层的传统认知。”德国马普所周骁腾博士表示。

图 | 周骁腾（来源：周骁腾）

他指出：自己参与的上述研究，也能为业界带来如下启发——即就算只有纳米级别的厚度差别，也有可能会对产品的最终效果带来影响。

通过借鉴本次成果，将为制定纳米涂层质量检测的行业标准带来一定帮助。

另据悉，使用无氟产品有助于保护环境和人体健康。但是，不同于传统的刚性氟化涂层，大多数的无氟纳米聚合物涂层比如聚二甲基硅氧烷往往是柔性的。

之前，对于无氟纳米聚合物涂层与液体之间的界面相互作用，人们理解得不够深入，这限制了无氟纳米聚合物涂层的应用。

而通过探究这些软物质之间的界面现象，有助于在实际应用之中，让无氟纳米聚合物涂层取代氟化涂层，进而实现大面积的推广。

同时，本次成果也能带来如下启示：即在与润湿性相关的实验里，也应该认真考虑由涂层厚度引起的界面变化。

并且，由于这种厚度效应能直接影响界面之间的范德华力，因此也可据此来研究柔性二维材料、以及自组装分子层的厚度，对于固-气界面和固-液界面的影响。

（来源：Advanced Materials）

从荷叶滑落的晨露说起

据了解，本次研究要从液滴运动行为说起，这是一种日常生活中的现象，它主要与表面润湿性密切相关。

以晨露从叶子上落下为例，为了避免液体积聚产生过大重力导致杆径弯折，植物往往会进化出一种低表面能的表面。

图 | 豆科植物叶片和蔷薇叶片上的球形水珠（来源：周骁腾）

在这类植物之中，以荷叶最为典型。当水滴聚集在荷叶表面时，水滴会呈现为球状，人们将其称之为“荷叶效应”。

图 | 荷叶上的露珠（来源：AI 生成）

基于此，学界利用仿生工程的方法，造出了低黏附的疏液表面，并已用于抗污、防冰、减阻等。

而除了关注疏液表面的制备之外，周骁腾所在课题组也专注于理解液滴在疏液表面上的运动过程。

通过此，能够助力于热传递、水收集、化工过程、太阳能光伏自清洁涂层等方面的研究和发展。

对于液滴运动来说，固-液界面阻力的大小——是评估该类现象的重要因素之一。

理想固体之间的摩擦阻力计算，是经典力学的重要组成部分。

然而，作为一种软物质，液体的性质比较特殊。因此，对于固-液界面在液体运动时所产生阻力的背后机制，此前一直未能得到充分解释。

在之前的研究中，周骁腾所在团队曾产出如下两个发现：

其一，和固-固界面摩擦一样的是，固-液界面摩擦也能被定义为静态区域和动态区域。

其二，在固-液界面的动态区域，由于固-液界面摩擦所产生的静电力，因此会对液体运动产生巨大影响。并且，这种静电力的产生、与后退接触位的去润湿有着密切关系。

同时，该课题组发现：对于动态区域产生的阻力来说，它会受到粘性耗散、分子间的动态力学、以及自适应润湿等多重因素的影响。

而通过摩擦所产生的表面电场，有时达到数千伏之高。因此，当针对不同因素开展研究时，往往会带来一定干扰。

而该团队发现：当使用位于涂层之下的金属夹层、或使用掺杂的硅晶圆等半导体类基底时，能够极大避免静电力的产生。

基于在无静电力影响之时的发现，他们针对动态区域的固-液界面行为开展了相关研究。

借此发现：在液滴的高速运动中，在纳米级的厚度区间里，不同厚度会导致界面和三相线处产生不同的固-液相互作用。

所以，即便采用由同一种涂层制备的表面，也可能会导致不同的黏性耗散、以及分子间的相互作用差别。

进而会影响固-液界面的阻力，最终导致不同的液滴运动行为。

（来源：Advanced Materials）

“厚度”决定运动

具体到本次研究来说，它的雏形始于周骁腾在马普所读博初期。

当时，他与一名博士后同事，联合开展了关于类液体聚二甲基硅氧烷表面的快速制备课题。

后来，另一位同事拓展了上述成果的实际应用价值。

再后来，周骁腾开始探索这样一个问题：到底该如何使用聚二甲基硅氧烷，在不同柔性体系之中改变固-液界面的浸润性？

2022 年初，当他和导师讨论时，导师突然提出一个问题：“这些纳米级聚二甲基硅氧烷在固-液界面处的形态是否完全一致？如果不一致那么它们会对固-液界面行为产生什么影响？”

对于这一问题周骁腾联想到：

在该团队的前期工作中，由于制备时的环境条件差异、以及使用不同厂家的产品的原因，纳米级聚二甲基硅氧烷表面的浸润性也会有所不同，进而导致最终样品的性能出现明显差异。

因此，他和导师一致认为这其中可能隐藏着新的物理知识。随后，周骁腾利用不同方法和不同分子量的聚合物，造出一系列的纳米聚二甲基硅氧烷涂层。

从分子层面来说，由于表征手段比较有限，因此这些涂层的差异很难得到定量研究。

于是，他们选取一个最常见的参数——厚度，以此来研究不同样品在润湿性和固-液界面阻力方面的差异。

在同事的帮助之下，周骁腾开展了液滴滑动的实验和分析。

结果非常意料：利用三种不同方法确定的精确厚度值，竟然与液滴在表面滑行一段距离后的速度有着明显关联。

周骁腾导师认为这是一个非常反常识的现象。后来，在多位同事的帮助之下，周骁腾先后采用了四种不同表征手段。

借此分别从肉眼可见的宏观尺度、到需要复杂仪器才能看到的纳米尺度，针对上述厚度效应加以表征。

表征结果显示：当厚度发生变化的时候，固-液界面之处的多种性质变化，都遵循着同样的趋势。而这可能也是实验现象差别的来源。

随后，课题组将以上成果整理为论文，最终以《纳米级聚（二甲基硅氧烷）层的厚度决定滑动水滴的运动》（Thickness of Nanoscale Poly（Dimethylsiloxane） Layers Determines the Motion of Sliding Water Drops）为题发在 Advanced Materials[1]。

周骁腾是第一作者，德国马普所汉斯-尤尔根·巴特（Hans-Jürgen Butt）教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

据介绍，在读博期间，周骁腾主要研究在不同尺度之下，与固-液界面动态过程相关的厚度效应。并专注于通过减弱厚度效应，来实现表面的低阻力液体运动。

由于聚二甲基硅氧烷具备稳定、易得、柔性等特点，这让他得以使用这种材料，探究其在不同厚度尺度之下，在柔性界面之处的浸润性调节。

总的来说，在读博期间周骁腾的研究范围涵盖了从毫米级的聚二甲基硅氧烷薄膜、到微纳米尺度的注入聚二甲基硅氧烷液体层、再到纳米级的聚二甲基硅氧烷共价结合涂层。

尽管厚度并不会影响静态案例中的表面能，但是在液滴运动之中，针对接触线之处由于毛细力产生的变形，厚度却会带来严重影响。

而在与界面宽度相似的纳米尺度之下，厚度也会影响界面处的相互作用。

因此，要想通过调节浸润性的方法，来实现制备低阻力表面的目标，就要在不同尺度之下适配不同的解决方法。

而由于厚度所引起的不同固-液界面现象，将能推广用于固-液界面的基础研究领域和工程应用领域。

下一步，针对能量传递和质量传递领域的固-液界面相关问题，周骁腾将开展新的研究。

与此同时，他也将研究类液体软物质之间的界面过程，通过探索生物检测、生物质沉积、以及生物体内功能之间的影响，力争进一步了解生命起源和生物体的物理机制。

（来源：Advanced Materials）

通过“比惨”为读博加油

另据悉，周骁腾的本硕博先后毕业于北京科技大学、清华大学和德国马普所。

他说：“我的科研启蒙来自于一个本科生创新项目，当时我组建了一支团队，并通过答辩拿到 2000 元的经费，这也是我人生中的第一笔科研经费。”

而在本硕期间的科研起步阶段，他主要学习的是胶体化学的合成与表征。

但是，恰恰是界面的亲疏水性，会在最终结果中起到重要作用。这时，他发现仅仅使用化学语言很难理解这些现象。

于是，他决定从高分子化学领域跨越到界面物理领域，并来到德国马普所读博。

目前，周骁腾已经在马普所获得博士学位，但由于还有几篇博士期间的论文正在投稿，因此他仍在马普所开展博士后研究。

异国他乡求学，又叠加疫情的影响，也曾让他心生退意。

尤其是在读博中期，伴随着第一篇论文投稿中的屡屡碰壁以及因初期封控需要借助其他单位补充实验的辗转，伴随着不知何时结束的居家办公和不断变化的防疫政策，他也曾想过是否要放弃。

“当时碰巧读到王钻开老师的一篇报道，讲到他在读博期间曾被三度退学的经历。如果我在读博之前读到这篇报道，可能会觉得这是个人能力问题。但是在读博之后，我才真正体会到面对不可抗力时的无奈。”周骁腾说。

而王钻开老师后来的故事早已广为人知，他不仅坚持了下来，并在独立建组之后做出不少亮眼工作。

周骁腾说：“在这种‘比惨’之中，我也得以继续坚持下去。在疫情那段时间里，是家人和朋友通过互联网的陪伴，特别是远方的一位话痨朋友，点亮了我在疫情中的灰暗生活。”如今，周骁腾早已跨越黑暗，正等待用自己的成果敲开新的大门。

参考资料：

1.Zhou, X., Wang, Y., Li, X., Sudersan, P., Amann‐Winkel, K., Koynov, K., ... & Butt, H. J. (2024). Thickness of Nano‐Scale Poly (Dimethylsiloxane) Layers Determines the Motion of Sliding Water Drops. Advanced Materials, 2311470.

运营/排版：何晨龙

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