江雷院士、董智超研究员《自然·通讯》：新型仿生超疏水织物技术问世，一步法打造耐极端环境的“铠甲”面料

在户外运动、工业防护及医疗等领域，具备持久拒水性能的纺织品需求日益迫切。然而，传统超疏水涂层通常依赖含氟化合物（PFAS）或纳米颗粒组装，这些涂层不仅因附着力弱而难以承受日常磨损，还面临环境与健康风险——PFAS因其持久性和潜在毒性正面临全球性限用。此外，现有涂层常堵塞织物孔隙，影响透气性和手感，限制了其在轻量化、耐用型服装中的应用。受自然启发，弹尾虫（springtail）的皮肤通过独特的蘑菇状微结构与纳米脊状结构，实现了无氟超疏水并能在湿润、磨损环境中生存，为开发新型耐久涂层提供了灵感，但如何将其柔性、透气地应用于纺织品仍是一大挑战。

针对上述难题，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队董智超研究员、郝德昭博士和中国科学院化学研究所吴磊副研究员合作，开发出一种名为“分子组装稳健超疏水壳层”（MARS）的一步法技术。该技术通过在纤维表面直接构建共价键合的、有序且无氟的二氧化硅壳层，无需使用离散纳米颗粒或含氟化学物质，即可赋予天然与合成纤维持久的超疏水性能。MARS处理在纤维阶段完成，不仅保持了最终织物的透气性、柔韧性与机械强度，还实现了可规模化生产的潜力，为下一代可持续高性能拒水面料提供了全新方案。相关论文以“One-step fabrication of superhydrophobic fabrics with stable mechanical performance in harsh conditions”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队从弹尾虫的仿生结构出发，设计出MARS的制备流程。他们将加捻纱线以每秒0.25米的速度通过含有四氯化硅（TCS）和十八烷基三氯硅烷（OTS）的石油醚溶液。TCS因空间位阻小，优先与天然纤维表面的羟基发生水解缩合，形成共价键合的二氧化硅网络骨架；随后OTS在新生成的二氧化硅表面锚定长链烷基，形成低表面能外层。这一连续反应在纤维上构建了由蘑菇状聚集体（直径130-170纳米）和致密二氧化硅壳层（特征尺寸20-50纳米）组成的分级结构（图1d）。单根棉纤维上，20皮升的水滴接触角高达160.0°（图1e），而羊毛、涤纶和尼龙纤维同样表现出超疏水性。环境扫描电镜观察显示，在3.7℃、100%相对湿度下，凝结的微滴生长至约2微米便会滚落（图1f）。MARS处理后的纱线可进一步编织成机织（接触角154.7°）或针织（接触角156.1°）面料（图1g、h），甚至可在未经处理的织物上绣出超疏水图案（图1i），且处理前后织物颜色变化极小，表明薄层壳层能保持原色并抵御后续加工中的机械应力。

图1 | 仿生灵感与MARS改性过程 a. 弹尾虫在潮湿环境中生存，并利用超疏水皮肤在水面跳跃。 b. 弹尾虫表皮扫描电镜图像，展示了分级纳米脊状结构与蘑菇状结构。示意图展示了蘑菇状结构如何防止水粘附并维持空气层。 c. MARS工艺在加捻纱线上构建分子组装稳健超疏水壳层的示意图。 d. 处理后纱线的扫描电镜图像，展示了具有蘑菇状聚集体的分级二氧化硅壳层结构。 e. MARS改性纱线上的水滴保持约160°的接触角。 f. MARS改性纱线上的水凝结微滴在直径达到2微米时从表面滑落。 g. MARS改性纤维被织造成超疏水纺织品，水滴接触角为154.7°。 h. MARS改性纤维被针织成超疏水纺织品，保持156.1°的高表观接触角。微型CT成像展示了织物内部结构及水滴在表面的行为，清晰呈现了材料的超疏水特性。 i. 使用MARS处理纱线在白手帕上进行刺绣的过程。刺绣机将纱线缝入织物，尽管针与纱线之间存在摩擦，纱线的超疏水性依然保持完好。 （图i摄影来源：刘卓星，中国科学院）

在拒水性能评估中，MARS改性织物展现出卓越表现。经AATCC 22喷淋测试，MARS面料可承受超过25升水的连续喷淋，仍保持100分的最高评级（图2b），远超250毫升的标准阈值。毫米级水滴以韦伯数约5.4撞击时，可在表面弹跳多达六次（图2c）。在模拟暴雨测试中，MARS面料单点承受了超过10⁴次雨滴冲击（图2d），并在高达11.6米/秒的高速水射流（相当于百米冲刺时的雨滴速度）下依然有效拒水（图2e）。在动能远超自然降雨的Bundesmann淋雨测试中，MARS改性帆布仅吸收1.7%的水量，几乎无渗透，而传统含氟涂层对照样则出现明显润湿（图2f）。经过五次标准机洗，MARS面料仍保持AATCC 100的评分，二十次洗涤后仍可达95分。

图2 | MARS改性织物的超疏水性能 a. MARS改性白色T恤、黑色紧身裤与白色鞋面的超疏水性能展示。 b. 拒水性喷淋测试（AATCC 22）显示，MARS改性织物在经过100次喷淋后仍保持超疏水状态。 c. 动态冲击测试展示了冷（25℃）水滴的弹跳行为。 d. 雨滴冲击模拟装置展示了单点冲击阈值，证实了10⁴次冲击的耐久性。 e. 旋转装置模拟高速雨滴冲击（11.6米/秒），证实了在恶劣条件下的耐久性。 f. Bundesmann淋雨测试结果证实了低吸水率与抗渗透性。 （图a摄影来源：刘卓星，中国科学院）

MARS技术的核心优势在于其卓越的机械耐久性。在Martindale磨耗测试中，MARS面料经8万次循环（9千帕压力）后，接触角仍大于150°（图3a）。在更为严苛的Taber磨耗测试中，经2万次循环后，接触角仅下降约8.8°，扫描电镜图像显示纳米结构壳层依然完整。与硅纳米丝、纳米颗粒等传统涂层相比，MARS的共价键合壳层使磨损深度降低46.2%（图3b）。在落砂测试中，MARS面料承受了320公斤石英砂的冲击后仍保持超疏水（图3c）。同时，MARS处理几乎不改变织物的手感——弯曲刚度与表面粗糙度等触觉指标与未处理面料无显著差异（图3d）。在实际应用模拟中，MARS处理T恤在背包肩带摩擦下经受60万次循环仍保持超疏水（图3f），针织面料经2万次拉伸循环后性能稳定（图3g），鞋面经8000次刷洗后接触角变化极小（图3h），而经过500次胶带剥离测试后，接触角仍保持在155°左右（图3i）。在模拟行走1.5万步的摩擦测试中，MARS改性袜子接触角仅下降约1.7°，而传统含氟涂层对照样则出现明显涂层剥落且接触角降至约139.7°（图3j、k）。经过360天户外暴露（温度-16.8至41.2℃，湿度9%至100%），MARS改性T恤仍保持超疏水，且颜色褪色仅约15%，远低于未处理对照样的约45%。

图3 | MARS处理织物在机械应力下的耐久性 a、b. 使用Martindale（a）和Taber（b）磨耗方法进行反复磨耗循环后的接触角变化。 c. 砂磨循环中处理织物的接触角变化。 d. 未处理、MARS处理与Capstone-FS处理织物的织物触感测试仪主要感官指标对比雷达图。 e. 跑步对T恤造成的磨损。 f. 在背包网面压力下，处理T恤的肩带摩擦磨损测试，循环次数达60万次。 g. 针织织物在拉伸-释放循环中的接触角变化。 h. 耐擦洗测试中的接触角变化。 i. 胶带剥离循环中的接触角与剥离力变化。 j. 跑步机上连续行走摩擦磨损测试，步数达15,000步，压力为51.3千帕。 k. 行走15,000步后Capstone-FS与MARS改性织物接触角差异的变化。 （图c摄影来源：刘卓星，中国科学院）

MARS面料在极端环境下的稳定性同样令人瞩目。当85℃热水滴以韦伯数约15撞击时，仍能干净弹跳（图4a）。面对85℃连续热水喷射（图4b）以及100℃、9巴压力的热咖啡喷射（图4c），MARS面料均表现出持续拒水能力。在极端冷热交替测试中，面料经95℃沸水、-196℃液氮、再至沸水循环处理后，超疏水性依然保持（图4d）。更值得一提的是，在160℃高温蒸汽暴露后，MARS面料能立即排斥水滴，而含氟硅烷处理的对照样则被蒸汽润湿（图4e、f）。低场核磁共振显示，蒸汽暴露后含氟处理样仍存在自由水信号，而MARS面料仅表现为半自由水的微弱信号，证明其共价网络有效阻隔了蒸汽冷凝。此外，MARS面料在水下能维持稳定的空气层（plastron），即使在2.0米/秒的水流中仍可见强烈光反射（图4h），与未处理面料相比，在水流速度为0.5米/秒时实现约40%的减阻效果（图4i）。细胞毒性测试表明，MARS涂层与未处理面料在细胞活性和增殖方面无显著差异，而含PFOS的含氟处理样则表现出明显的细胞毒性。

图4 | 环境与热应力条件下的超疏水性能 a. 热水滴可弹跳多达三次。 b. MARS改性织物对热水射流的抵抗能力。 c. MARS改性织物能排斥热咖啡（100℃，9巴压力，150毫升），证实了持续的拒水性能。 d. 在液氮（-196℃）与热水（95℃）交替极端温度循环下的耐久性，未出现拒水性损失。 e. 高温蒸汽熨烫（160℃）实验装置。 f. MARS改性织物能耐受高温蒸汽（160℃），并在蒸汽熨烫后立即排斥水滴。 g. MARS改性紧身裤在织物-水界面的空气层稳定性。 h. 在水流速度为2.0米/秒的条件下，通过光反射确认了被捕获的空气层。 i. MARS改性织物的减阻效果。 （图e、f摄影来源：刘卓星，中国科学院）

MARS技术通过一步法在纤维表面构建了共价键合的核壳结构，实现了无氟、高耐久、多基材适用的超疏水织物。该方法不仅解决了传统超疏水涂层在机械磨损、热液冲击与蒸汽环境下的失效难题，还兼顾了织物的透气性、手感与色彩保持，且原材料成本低廉、可溶剂回收，具备工业化潜力。该技术为户外、防护、医疗及工业应用提供了兼顾性能与可持续性的新路径，也为未来电子织物、显示纺织品与可穿戴健康监测设备的发展奠定了基础。