科学通报|类液体表面的特性、构建与应用

类液体表面是一种由极度柔性分子链修饰的表面，具有类似液体的超润滑特性。几乎所有的极性和非极性液体在类液体表面上都不易黏附，可滑动脱落且无残留。由于其独特的界面物理化学特性和广阔应用前景，类液体表面在近年来受到了越来越广泛的关注。

近日，中山大学材料科学与工程学院田雪林教授团队在《科学通报》发表了题为“类液体表面的特性、构建与应用”的评述文章。文章介绍了类液体表面的原理、制备方法，阐述了其在抗微观液态残留、防垢、抗冰、抗生物黏附、油水分离等领域的最新研究进展，并展望了未来的研究方向。

类液体表面的特性与分子机理

类液体表面一般是通过将具有极低玻璃化转变温度的高柔性聚合物分子链，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS，Tg = −127°C)、全氟聚醚（PFPE，Tg = −116°C）等，共价接枝在平坦的固体表面获得。这类高柔性分子链具有极低的旋转构象转变能垒，当分子链的一端固定在固体表面时，其余部分依然可以自由运动，具有类似液体的动态特性。这种动态特性降低了固-液-气三相接触线的运动能垒，减小接触角滞后，使液滴更容易滑动。由于不依赖于表面粗糙结构，类液体表面可以避免超疏液表面微纳结构易磨损导致的失效问题。此外，常见的（如PDMS型）类液体表面与有机液体接触时，由于有机液体对类液体分子具有溶胀效应，可以进一步增加表面分子链的流动性并减小链末端弛豫时间，使有机液体具有比水更小的接触角滞后和滑动角，这也是类液体表面显著区别于超疏水/超疏油表面的一个独特之处。

图1 类液体表面润湿性及分子结构特征。(a)光滑固体表面上液滴的润湿模型；(b)三相接触线前进或后退时，液滴的前进角和后退角；(c)类液体分子化学键构象转变能垒；(d)类液体表面低接触角滞后原理示意图

类液体表面的构建方法

类液体表面的构建方法主要有两大类。一类是通过热激活平衡反应或活性基团之间的反应，将类液体分子直接共价接枝在平坦基材表面，得到类液体分子刷表面。另一类是将类液体分子引入聚氨酯或丙烯酸树脂等商用涂层中，再通过加热、光照等方式固化，从而在基材表面构筑具有一定厚度、透明耐磨的类液体涂层。类液体表面具有的制备方法简单、性能稳定、成本低等优点，使其在不同领域中具有极大应用潜力。

图2 类液体分子刷表面的构建策略。(a)常见的类液体分子刷表面；(b)热激活平衡反应法构建PDMS分子刷表面的机理图；(c)紫外光照法构建PDMS分子刷表面的机理图；(d)氟聚醚改性的聚氨酯涂层制备工艺流程和涂层截面的原子力显微镜图像；(e)光固化GPOSS涂层制备流程图

类液体表面的应用

类液体表面具有超润滑的表面特性，可减少界面黏附，抑制液体、微生物和矿物垢等对材料表面的污染。将类液体表面与现有材料相结合，能解决许多常规涂层难以克服的难题。例如，类液体涂层具备出色的抗指纹残留效果，能保护屏幕、光学镜头等设备不被指纹污染。经PFPE类液体分子修饰后的液体自输运表面可有效抑制微观液体残留，避免液体残留导致的质量损失和表面污染。LPDMS涂层独特的类液体动态特性有助于降低表面与无机盐晶核之间的有效亲和作用，相比于传统的全氟烷基硅烷涂层表现出更优异的抗垢性能。与传统超疏水表面相比，冰在类液体表面具有更低的剪切强度，因此，类液体表面能有效地抑制冰霜的积累，在防冰领域具有极大的应用前景。类液体表面可以持续抵抗微生物污染，对生物小分子、蛋白质、哺乳动物细胞和细菌等都具有良好的抗黏附性，在生物医疗材料领域具有极佳的应用潜力。类液体分子修饰的多孔分离材料能够避免高黏度原油在孔道内的黏附和堵塞，为实现高效、抗污染的油水分离提供了有效途径。

图3 类液体表面的应用领域。(a)类液体抗指纹涂层；(b)类液体表面在液体无损自运输中的应用；(c)类液体纳米微锥抗冰表面；(d)类液体油水分离多孔材料

总结和展望

类液体表面作为一种新型界面材料受到研究者日益增加的关注。然而，不论是在基础理论还是功能化应用方面，该领域仍然存在诸多挑战亟待解决。为推进类液体材料的发展，科研工作者需利用更加先进的原位表征技术，结合理论模拟对类液体表面的界面作用机制进行研究，助力新型类液体界面材料的开发。同时，还需设计制备具有优良力学性能及多功能化的类液体分子，开发更绿色环保的合成方法，以及更简单高效的涂层固化策略，推动类液体界面材料的实际应用。

桂黎爽, 田雪林*. 类液体表面的特性、构建与应用. 科学通报, 2024, 69(20): 2935–2950

https://doi.org/10.1360/TB-2023-1129

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