中科院理化所王樹濤、孟靖昕研究員團隊《Adv. Mater.》：受潛水蜘蛛啟發，利用補氣策略實現納米纖維涂層的長效抗垢
超疏水表面(一般是水下超親氣表面)，在多個關鍵領域受到了廣泛的關注，如物質運輸、耐磨損、電化學反應、膜淡化以及防污等。其中，超疏水表面存儲的空氣以不同的方式發揮著關鍵作用: 主動參與和被動防護。例如，氧氣可作為參與者，使三相電極具有較高的酶檢測靈敏度和準確性。相比之下，氣膜也可作為防護層阻擋固體基底與鹽溶液的直接接觸，展示出優異的抗結垢性能。然而，存儲的空氣常常會在劇烈的水下條件（如高溫、高流速）逐漸消失，使得這些超疏水材料的抗結垢能力只能保持較短的時間。因此，為延長超疏水材料特殊功能和使用壽命，急需尋找穩定水下氣膜的策略和方法。
潛水蜘蛛是一種獨特的動物，它通常會在水生植物中織網形成儲存氣體的潛水鐘，用于進行長期的水下呼吸。在嚴重缺氧的水中，潛水鐘內的空氣仍需周期性的從外部環境中補充（圖1a）。近日，中科院理化技術研究所王樹濤、孟靖昕研究員團隊，受潛水蜘蛛補氣過程啟發，制備了一種具有水下超親氣的仿生納米纖維涂層（圖1b），該涂層展示了長達30天的動態高效抗垢能力（約98%）。由于外界惡劣環境會加速空氣交換，涂層上的氣膜不可避免地會流失。因此通過在適當的條件下補充空氣，氣膜可以作為抑制界面成核和結垢的穩定屏障，表現出高效、持續的阻垢能力。因此，這種空氣補充策略可能為長期防垢材料提供新的途徑。該研究以“Water Spider-Inspired Nanofiber Coating with Sustainable Scale Repellency via Air-Replenishing Strategy”為題發表在最新一期的《Advanced Materials》上（doi.org/10.1002/adma.202209796）
圖1：受水蜘蛛啟發的納米纖維涂層具有良好的可持續防垢性能
圖2.氣泡在基底上的三種浸潤狀態：全覆蓋、部分覆蓋和較少覆蓋
圖3. 流速對水下氣膜穩定性的影響
由于外界因素（流速、溫度）的影響，基底上的氣膜展示出了不同浸潤狀態（圖2）。其中，隨著水下浸沒時間的增加，涂層表面氣膜會經歷三種浸潤狀態：從全覆蓋、部分覆蓋到較少覆蓋的逐漸損失。作者利用浸潤性、粘附力和熒光分別表征了這三種狀態。結果表明在適當的條件下補充空氣，可以保持納米纖維涂層上氣膜的穩定性。利用空氣在水下獨特的折射率，作者定性地表征了水下氣層的穩定性。結果表明隨著流速的增加，氣層損失越快。根據臨界反射率，得到了不同流速下補氣的間隔時間。進一步地，根據合適的補氣間隔和體積，可實現動態條件下氣層的穩定（圖3）。
圖4. 氣膜介導的涂層的抗垢機理：提高成核能壘，抑制界面成核，降低界面黏附
當基底處于礦物溶液中，會發生兩種現象：界面成核和界面粘附。作者通過理論計算說明了氣膜的存在會提高成核的能壘，抑制晶體異相成核，并能降低水垢與基底的粘附（圖4）。
圖5. 氣膜介導的涂層具有良好的抗垢性能以及對于不同基底、不同無機垢的普適性
通過補氣策略穩定氣層，實現了長期高效的動態抗垢性能。經過30天動態結垢試驗，穩定氣膜的涂層上CaCO3垢沉積的質量僅為約0.57±0.04 mg/cm2，遠低于氣膜逐漸消失的涂層（34.78±2.88 mg/cm2）和原始PVC涂層（56.63±2.36 mg/cm2）。同時，對于不同基底、不同類型的水垢，該策略均能實現良好的抗垢效果，說明該策略具有普適性。綜合近年來報道的氣膜介導的抗垢研究，穩定氣膜的涂層具有高效的抗垢性能（約98%）和較長的使用壽命（30天）。這些結果表明，受水蜘蛛啟發的納米纖維涂層提供了一種持久和通用的防垢策略（圖5）。
該論文第一作者為中科院理化所博士生王儀萱，通訊作者為中科院理化技術研究所的王樹濤、孟靖昕研究員。該研究得到國家自然科學基金委支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202209796
