馬普所團隊補齊固-液界面的基礎理論缺失，突破納米涂層的傳統認知，推動(dòng)無(wú)氟納米涂層的應用

“我們完善了固-液界面的基礎理論，突破了人們對于納米涂層的傳統認知?！?/span>德國馬普所周驍騰博士表示。

圖 | 周驍騰（來(lái)源：周驍騰）

他指出：自己參與的上述研究，也能為業(yè)界帶來(lái)如下啟發(fā)——即就算只有納米級別的厚度差別，也有可能會(huì )對產(chǎn)品的最終效果帶來(lái)影響。

通過(guò)借鑒本次成果，將為制定納米涂層質(zhì)量檢測的行業(yè)標準帶來(lái)一定幫助。

另?yè)?，使用無(wú)氟產(chǎn)品有助于保護環(huán)境和人體健康。但是，不同于傳統的剛性氟化涂層，大多數的無(wú)氟納米聚合物涂層比如聚二甲基硅氧烷往往是柔性的。

之前，對于無(wú)氟納米聚合物涂層與液體之間的界面相互作用，人們理解得不夠深入，這限制了無(wú)氟納米聚合物涂層的應用。

而通過(guò)探究這些軟物質(zhì)之間的界面現象，有助于在實(shí)際應用之中，讓無(wú)氟納米聚合物涂層取代氟化涂層，進(jìn)而實(shí)現大面積的推廣。

同時(shí)，本次成果也能帶來(lái)如下啟示：即在與潤濕性相關(guān)的實(shí)驗里，也應該認真考慮由涂層厚度引起的界面變化。

并且，由于這種厚度效應能直接影響界面之間的范德華力，因此也可據此來(lái)研究柔性二維材料、以及自組裝分子層的厚度，對于固-氣界面和固-液界面的影響。

（來(lái)源：Advanced Materials）

從荷葉滑落的晨露說(shuō)起

據了解，本次研究要從液滴運動(dòng)行為說(shuō)起，這是一種日常生活中的現象，它主要與表面潤濕性密切相關(guān)。

以晨露從葉子上落下為例，為了避免液體積聚產(chǎn)生過(guò)大重力導致桿徑彎折，植物往往會(huì )進(jìn)化出一種低表面能的表面。

圖 | 豆科植物葉片和薔薇葉片上的球形水珠（來(lái)源：周驍騰）

在這類(lèi)植物之中，以荷葉最為典型。當水滴聚集在荷葉表面時(shí)，水滴會(huì )呈現為球狀，人們將其稱(chēng)之為“荷葉效應”。

圖 | 荷葉上的露珠（來(lái)源：AI 生成）

基于此，學(xué)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、減阻等。

而除了關(guān)注疏液表面的制備之外，周驍騰所在課題組也專(zhuān)注于理解液滴在疏液表面上的運動(dòng)過(guò)程。

通過(guò)此，能夠助力于熱傳遞、水收集、化工過(guò)程、太陽(yáng)能光伏自清潔涂層等方面的研究和發(fā)展。

對于液滴運動(dòng)來(lái)說(shuō)，固-液界面阻力的大小——是評估該類(lèi)現象的重要因素之一。

理想固體之間的摩擦阻力計算，是經(jīng)典力學(xué)的重要組成部分。

然而，作為一種軟物質(zhì)，液體的性質(zhì)比較特殊。因此，對于固-液界面在液體運動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生阻力的背后機制，此前一直未能得到充分解釋。

在之前的研究中，周驍騰所在團隊曾產(chǎn)出如下兩個(gè)發(fā)現：

其一，和固-固界面摩擦一樣的是，固-液界面摩擦也能被定義為靜態(tài)區域和動(dòng)態(tài)區域。

其二，在固-液界面的動(dòng)態(tài)區域，由于固-液界面摩擦所產(chǎn)生的靜電力，因此會(huì )對液體運動(dòng)產(chǎn)生巨大影響。并且，這種靜電力的產(chǎn)生、與后退接觸位的去潤濕有著(zhù)密切關(guān)系。

同時(shí)，該課題組發(fā)現：對于動(dòng)態(tài)區域產(chǎn)生的阻力來(lái)說(shuō)，它會(huì )受到粘性耗散、分子間的動(dòng)態(tài)力學(xué)、以及自適應潤濕等多重因素的影響。

而通過(guò)摩擦所產(chǎn)生的表面電場(chǎng)，有時(shí)達到數千伏之高。因此，當針對不同因素開(kāi)展研究時(shí)，往往會(huì )帶來(lái)一定干擾。

而該團隊發(fā)現：當使用位于涂層之下的金屬夾層、或使用摻雜的硅晶圓等半導體類(lèi)基底時(shí)，能夠極大避免靜電力的產(chǎn)生。

基于在無(wú)靜電力影響之時(shí)的發(fā)現，他們針對動(dòng)態(tài)區域的固-液界面行為開(kāi)展了相關(guān)研究。

借此發(fā)現：在液滴的高速運動(dòng)中，在納米級的厚度區間里，不同厚度會(huì )導致界面和三相線(xiàn)處產(chǎn)生不同的固-液相互作用。

所以，即便采用由同一種涂層制備的表面，也可能會(huì )導致不同的黏性耗散、以及分子間的相互作用差別。

進(jìn)而會(huì )影響固-液界面的阻力，最終導致不同的液滴運動(dòng)行為。

（來(lái)源：Advanced Materials）

“厚度”決定運動(dòng)

具體到本次研究來(lái)說(shuō)，它的雛形始于周驍騰在馬普所讀博初期。

當時(shí)，他與一名博士后同事，聯(lián)合開(kāi)展了關(guān)于類(lèi)液體聚二甲基硅氧烷表面的快速制備課題。

后來(lái)，另一位同事拓展了上述成果的實(shí)際應用價(jià)值。

再后來(lái)，周驍騰開(kāi)始探索這樣一個(gè)問(wèn)題：到底該如何使用聚二甲基硅氧烷，在不同柔性體系之中改變固-液界面的浸潤性？

2022 年初，當他和導師討論時(shí)，導師突然提出一個(gè)問(wèn)題：“這些納米級聚二甲基硅氧烷在固-液界面處的形態(tài)是否完全一致？如果不一致那么它們會(huì )對固-液界面行為產(chǎn)生什么影響？”

對于這一問(wèn)題周驍騰聯(lián)想到：

在該團隊的前期工作中，由于制備時(shí)的環(huán)境條件差異、以及使用不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品的原因，納米級聚二甲基硅氧烷表面的浸潤性也會(huì )有所不同，進(jìn)而導致最終樣品的性能出現明顯差異。

因此，他和導師一致認為這其中可能隱藏著(zhù)新的物理知識。隨后，周驍騰利用不同方法和不同分子量的聚合物，造出一系列的納米聚二甲基硅氧烷涂層。

從分子層面來(lái)說(shuō)，由于表征手段比較有限，因此這些涂層的差異很難得到定量研究。

于是，他們選取一個(gè)最常見(jiàn)的參數——厚度，以此來(lái)研究不同樣品在潤濕性和固-液界面阻力方面的差異。

在同事的幫助之下，周驍騰開(kāi)展了液滴滑動(dòng)的實(shí)驗和分析。

結果非常意料：利用三種不同方法確定的精確厚度值，竟然與液滴在表面滑行一段距離后的速度有著(zhù)明顯關(guān)聯(lián)。

周驍騰導師認為這是一個(gè)非常反常識的現象。后來(lái)，在多位同事的幫助之下，周驍騰先后采用了四種不同表征手段。

借此分別從肉眼可見(jiàn)的宏觀(guān)尺度、到需要復雜儀器才能看到的納米尺度，針對上述厚度效應加以表征。

表征結果顯示：當厚度發(fā)生變化的時(shí)候，固-液界面之處的多種性質(zhì)變化，都遵循著(zhù)同樣的趨勢。而這可能也是實(shí)驗現象差別的來(lái)源。

隨后，課題組將以上成果整理為論文，最終以《納米級聚（二甲基硅氧烷）層的厚度決定滑動(dòng)水滴的運動(dòng)》（Thickness of Nanoscale Poly（Dimethylsiloxane） Layers Determines the Motion of Sliding Water Drops）為題發(fā)在 Advanced Materials[1]。

周驍騰是第一作者，德國馬普所漢斯-尤爾根·巴特（Hans-Jürgen Butt）教授擔任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

據介紹，在讀博期間，周驍騰主要研究在不同尺度之下，與固-液界面動(dòng)態(tài)過(guò)程相關(guān)的厚度效應。并專(zhuān)注于通過(guò)減弱厚度效應，來(lái)實(shí)現表面的低阻力液體運動(dòng)。

由于聚二甲基硅氧烷具備穩定、易得、柔性等特點(diǎn)，這讓他得以使用這種材料，探究其在不同厚度尺度之下，在柔性界面之處的浸潤性調節。

總的來(lái)說(shuō)，在讀博期間周驍騰的研究范圍涵蓋了從毫米級的聚二甲基硅氧烷薄膜、到微納米尺度的注入聚二甲基硅氧烷液體層、再到納米級的聚二甲基硅氧烷共價(jià)結合涂層。

盡管厚度并不會(huì )影響靜態(tài)案例中的表面能，但是在液滴運動(dòng)之中，針對接觸線(xiàn)之處由于毛細力產(chǎn)生的變形，厚度卻會(huì )帶來(lái)嚴重影響。

而在與界面寬度相似的納米尺度之下，厚度也會(huì )影響界面處的相互作用。

因此，要想通過(guò)調節浸潤性的方法，來(lái)實(shí)現制備低阻力表面的目標，就要在不同尺度之下適配不同的解決方法。

而由于厚度所引起的不同固-液界面現象，將能推廣用于固-液界面的基礎研究領(lǐng)域和工程應用領(lǐng)域。

下一步，針對能量傳遞和質(zhì)量傳遞領(lǐng)域的固-液界面相關(guān)問(wèn)題，周驍騰將開(kāi)展新的研究。

與此同時(shí)，他也將研究類(lèi)液體軟物質(zhì)之間的界面過(guò)程，通過(guò)探索生物檢測、生物質(zhì)沉積、以及生物體內功能之間的影響，力爭進(jìn)一步了解生命起源和生物體的物理機制。

（來(lái)源：Advanced Materials）

通過(guò)“比慘”為讀博加油

另?yè)?，周驍騰的本碩博先后畢業(yè)于北京科技大學(xué)、清華大學(xué)和德國馬普所。

他說(shuō)：“我的科研啟蒙來(lái)自于一個(gè)本科生創(chuàng )新項目，當時(shí)我組建了一支團隊，并通過(guò)答辯拿到 2000 元的經(jīng)費，這也是我人生中的第一筆科研經(jīng)費?！?/span>

而在本碩期間的科研起步階段，他主要學(xué)習的是膠體化學(xué)的合成與表征。

但是，恰恰是界面的親疏水性，會(huì )在最終結果中起到重要作用。這時(shí)，他發(fā)現僅僅使用化學(xué)語(yǔ)言很難理解這些現象。

于是，他決定從高分子化學(xué)領(lǐng)域跨越到界面物理領(lǐng)域，并來(lái)到德國馬普所讀博。

目前，周驍騰已經(jīng)在馬普所獲得博士學(xué)位，但由于還有幾篇博士期間的論文正在投稿，因此他仍在馬普所開(kāi)展博士后研究。

異國他鄉求學(xué)，又疊加疫情的影響，也曾讓他心生退意。

尤其是在讀博中期，伴隨著(zhù)第一篇論文投稿中的屢屢碰壁以及因初期封控需要借助其他單位補充實(shí)驗的輾轉，伴隨著(zhù)不知何時(shí)結束的居家辦公和不斷變化的防疫政策，他也曾想過(guò)是否要放棄。

“當時(shí)碰巧讀到王鉆開(kāi)老師的一篇報道，講到他在讀博期間曾被三度退學(xué)的經(jīng)歷。如果我在讀博之前讀到這篇報道，可能會(huì )覺(jué)得這是個(gè)人能力問(wèn)題。但是在讀博之后，我才真正體會(huì )到面對不可抗力時(shí)的無(wú)奈?！敝茯旘v說(shuō)。

而王鉆開(kāi)老師后來(lái)的故事早已廣為人知，他不僅堅持了下來(lái)，并在獨立建組之后做出不少亮眼工作。

周驍騰說(shuō)：“在這種‘比慘’之中，我也得以繼續堅持下去。在疫情那段時(shí)間里，是家人和朋友通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的陪伴，特別是遠方的一位話(huà)癆朋友，點(diǎn)亮了我在疫情中的灰暗生活?！比缃?，周驍騰早已跨越黑暗，正等待用自己的成果敲開(kāi)新的大門(mén)。