AS | 广东以色列理工学院姜又华团队：耐磨的智能超疏水纤毛

受自然界中的纤毛启发，智能柔性表面——一种布满了受外场（例如磁场）控制的柔性纤毛表面——受到了越来越多的关注。优于传统表面，智能柔性表面在外部刺激下，纤毛的形貌能被实时控制，从而调控表面性质。这一特性使它在微流控、微型机器人、智能织物、自清洁和防/除冰等领域有广阔的潜在应用前景。然而纤毛的柔性和高长径比，使其易被机械冲击或刮擦损坏，导致现有的柔性纤毛阵列并不适用于真实的工作环境。为了让智能柔性纤毛表面走向广泛应用和产业化，亟需开发一款能承受外部冲击和耐磨的智能纤毛表面。

近日，广东以色列理工学院机械系姜又华副教授团队成功研发出一款“耐磨的智能超疏水纤毛表面”。本工作创新性地把柔软的纤毛表面与坚固的“井字形”金属框架相结合，让纤毛水平排布在金属框架的侧壁上。当表面受到外力伤害时，表面处于保护模式，这时金属框架高于纤毛，为纤毛提供了有效的保护。即使受到了高强度的磨损，金属框架受到损害，上层的纤毛随框架顶端一同被损耗，下层的纤毛依然能够保持结构完好和功能正常（图1）。当表面进入工作模式，对表面施加一个磁场，水平排布的纤毛将从框架中伸出，进而控制表面上的液滴行为。该研究克服了柔性智能表面不耐用的缺点，率先设计并制备出了耐磨的柔性智能表面，为柔性智能表面产业化迈出了长远的一步。

图1.耐磨智能纤毛阵列的设计思路

该表面展现出了卓越的耐磨性（图2）。相较于传统柔性智能表面在一个较低的法向载荷（4 N）下“一磨就坏”，该耐磨的柔性智能表面能在较高的法向载荷（20 N）下反复磨损，直至金属框架的高度减少20%，仍然能保持较好的超疏水性和实现液滴定向传输和操控的功能。

图2.耐磨智能纤毛阵列的磨损测试及磨损后的功能测试

该表面的自清洁功能使得其对灰尘有很好的抗性（图3）。当表面上积聚了一层灰尘后，通过磁场控制纤毛摆动、气流吹拂、或水流冲洗，表面的灰尘可被轻易去除。之后，表面仍然展现出良好的超疏水性和主动操控物体的功能。

图3.耐磨智能纤毛阵列的抗灰尘测试

在耐酸碱的性能方面（图4），该表面能够在pH值为2的酸性溶液中，或pH值为12的碱性溶液中浸泡24小时，依旧保持良好的超疏水性和液滴操控能力。在pH值为0的酸性溶液中浸泡24小时后，纤毛中的铁粉会被酸性溶液完全反应，这时纤毛变得透明并失去磁响应性，但超疏水涂层未被损坏，液滴撞击表面仍能保持较低的接触时间，超疏水性良好。在pH值为14的碱性溶液中浸泡24小时候，表面失去超疏水性，但由于碱性溶液不与铁粉发生反应，纤毛仍然具有磁响应性，可以对固体小球进行操控。

图4.耐磨智能纤毛阵列的抗酸碱性测试

该表面还能实时调节液滴的黏附力（图5），通过改变纤毛的倾斜方向，改变液滴在纤毛上特定运动方向的运动特征，进而调控液滴在特定方向上的黏附力，最终使液滴在振动中定向移动。

图5.基于液滴粘附力的表面表征

在液滴撞击动态方面（图6），耐磨的智能纤毛阵列依旧展现出对液滴接触时间的强大的调控能力。用20uL液滴从6 cm的高度释放撞击框架宽度w=0.5 mm的耐磨的智能纤毛阵列，当纤毛处于自然状态（水平）时，液滴的接触时间约为18.2 ms；当用磁场控制纤毛直立（垂直）时，液滴的接触时间骤降为8 ms，接触时间降低了超过50%。这是由于直立的纤毛间隙能使一部分液滴动能转化为毛细能，在液滴上跳的过程中，这一部分毛细势能得到释放，转化为液滴上跳的动能，使液滴在收缩前快速离开表面，展现出了饼状弹跳的特性，使接触时间大幅降低。

图6. 基于液滴撞击动力学的表面表征