制备抗紫外线的异质浸润性图案对于具有异质润湿性的表面的实际应用至关重要。然而，将具有抗紫外线辐照性能的超疏水和超亲水材料结合为异质浸润性图案化表面仍极富挑战。北京航空航天大学郑咏梅教授课题组受细胞膜结构的启发，通过激光烧蚀具有多层膜结构的涂层材料，设计并制备出了抗紫外线的异质浸润性图案化表面（UPS）。与其他需要掩膜板及表面分子修饰的方法相比，UPS表面的抗紫外线时间要高出两个数量级。UPS能够抗紫外线辐照的关键在于其类细胞膜结构可以有效阻止疏水区域内部硅氧烷链段向亲水区域的迁移。UPS能够实现开放体系中二维表面上液体浸润行为的高效调控，并可在紫外线辐照下高效地实现功能材料的图案化。相关研究成果在线发表于Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.202304080）。
一种抗紫外线的异质浸润性图案化表面
具有异质浸润性的表面可用于有效调节固-液-气三相界面的相互作用。因此，异质浸润性表面在水收集、能量转换、生化检测等方面具有广阔的应用前景。紫外线辐照可以有效地对表面进行灭菌，并加速光辅助交联、接枝、沉积和降解。因此，如何构建具有抗紫外线能力的异质浸润性表面仍是落实和扩大其应用的一项亟待解决的难点。尽管硅氧烷链接枝/封端的超疏水颗粒和超亲水的二氧化钛被证实具有优异的抗紫外线辐照特性。然而，硅氧烷链在紫外线照射下极易与二氧化钛发生共价接枝，导致二氧化钛失去原有的超亲水特性。因此，将具有抗紫外线辐照性能的超疏水和超亲水材料结合为异质浸润性图案化表面仍极富挑战。具体地，研究团队受细胞膜结构及其主动运输过程（如细胞内部的钠离子只能通过嵌入磷脂双分子层的钠泵蛋白排出胞外）的启发，设计并制备了具有多层膜结构的涂层材料。涂层自下而上包括硅源层（PDMS）、隔离层（PET）、亲水层（TiO2）和光热层（掺杂有羧基化多壁碳纳米管的PVA）。采用激光直写技术，在超亲水的二氧化钛表面原位构筑超疏水图案。通过水溶解去除光热层，并经过紫外线照射，即可得到抗紫外线的异质浸润性图案化表面（UPS）。图1. UPS的设计（图片来源：Adv. Mater.）作者通过材料表征，证实在同一个二维表面实现了具有不同微纳米粗糙结构和化学组成的图案化区域。其中，表面形貌分析结果表明，激光烧蚀区域形成了微纳米复合结构。XRD结果表明，激光烧蚀区域的主要成分为SiO2何SiC。XPS和FTIR结果表明：激光烧蚀区域的超疏水性主要来自硅氧烷链。图2. UPS的表征（图片来源：Adv. Mater.）浸润性相关测试表明：UPS能够实现开放体系中二维平面上一系列液体浸润行为的高效调控（如分流、混合、液体的各向异性传输及方向性合并）。此外，UPS表面能够实现微液滴阵列的快速生成、水下微气泡的超快传输与聚集等。与现有技术相比，UPS在液体传输效率方面也处在非常高的水平。图3. UPS的液体浸润行为调控（图片来源：Adv. Mater.）在紫外线辐照下，利用光掩模板制备的FAS-TiO2表面及利用等离子体刻蚀制备的@PDMS表面均会在短时间内失去原有的异质浸润特性，并分别转变为超亲水和疏水表面。而UPS即使经过50小时的紫外线强照射（365 nm，500 mW cm-2），其异质润湿性仍能保持稳定。XPS测试结果表明：UPS中的PET层能够有效阻止其底部PDMS层中硅氧烷链段向表面二氧化钛层的迁移，这是UPS具有优异抗紫外线辐照性能的关键。此外，UPS还具有紫外线辐照下自清洁和自修复的性能。图4. UPS的抗紫外特性（图片来源：Adv. Mater.）由于UPS具有优异的抗紫线外辐照特性，因此可以在紫外光的辅助下快速实现聚多巴胺、银纳米颗粒、低粘度水凝胶等功能材料的图案化。相关研究拓展了异质浸润性表面的应用范围。图5. UPS的功能性图案应用（图片来源：Adv. Mater.）该团队受细胞膜结构的启发，提出了一种通过激光烧蚀具有多层膜结构的涂层材料制备抗紫外线异质浸润性图案化表面的简便方法。硅氧烷链在UPS中的选择性渗透使UPS在长期高强度紫外线辐照下能够保持稳定。因此，UPS可以利用紫外线照射对不同的功能材料进行高效图案化。该技术使用低成本的加工材料和设备，不需要掩膜板或超快激光器。这使得UPS系统成为微流体、细胞培养、能量转换和水收集等一系列应用的理想选择。该论文的通讯作者为北京航空航天大学化学学院郑咏梅教授，共同作者包括化学学院侯永平副教授、机械工程及自动化学院博士后高春雷，化学学院博士生张磊。研究工作得到了国家自然科学基金委员会（22275008）和中国博士后科学基金会（2021M690292）的资助。郑咏梅教授课题组长期致力于仿生微纳米梯度界面及其动态浸润性研究，研究表面的憎水性、防覆冰性、防霜性及集水特性、液滴传输特性的调控。课题组基于发现的生物集水（蜘蛛丝、仙人掌、甲壳虫等）结构及多梯度协同效应原理、仿生构筑多梯度微纳米界面及其揭示多梯度效应协同机制，开发仿生多结构集水特性，开发系列仿生构筑集水材料技术与方法。在雾水收集材料设计上提出新思路（Nature, 2010, 463, 640；Adv. Mater., 2014, 26, 5052；Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2208117）。基于发现的生物超疏水结构（荷叶、蝴蝶翅膀等）及憎水控湿原理，仿生构筑超疏水梯度结构，开展超疏水结构的防覆冰特性，揭示微纳米结构、弹性结构的防覆冰调控机制；构筑和设计了系列超疏水微纳结构的表面，获得了优越的防覆冰效果。在防覆冰结构及低温憎水性上提出了新思路（于Adv. Mater., 2012, 24, 2642；Adv. Mater., 2016, 28, 7729；Chem. Eng. J., 2022, 46, 137461）。基于发现的生物表面的多梯度定向液滴自驱动、界面多梯度协同驱动调控原理，提出微纳米结构梯度界面及动态梯度驱动液滴的新思路、新方法，构筑及设计了系列多梯度界面，在纳微流体、液滴输运方面提供新思路（Adv. Mater., 2015, 27, 5057；Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1803072；Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1800163）。郑咏梅教授课题组这些仿生浸润性研究，为淡水收集、防覆冰、自清洁、微流体等领域新材料的设计与制备提供了新手段。郑咏梅，北京航空航天大学教授、博士生导师。主要科技成就包括：揭示了生物表面梯度界面动态浸润性调控以及多梯度协同效应机制，发现了生物界面多梯度引发的自驱动、自能量的湿控原理，开发了多梯度界面及多级结构在动态浸润性调控、淡水收集、防覆冰、流体输运等方面的应用。在Nature、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Small等国际期刊发表学术论文（SCI）140余篇，封面亮点报道15篇，总引用11214次，H因子47。论文获得了顶级期刊论文（Nature、Nature Materials and Science等）的引用。2020年-2021年被誉为爱思唯尔高倍引学者。撰写英文专著2部。授权专利17项。2016年获得国际仿生工程学会（ISBE）突出贡献最高奖。2022年获得北京航空航天大学 “立德树人”优秀奖。个人主页: http://www.zhengyongmei.polymer.cn。
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