"史上最滑的表面"灵感来自对表面粗糙度的新理解_科学

芬兰的研究人员已经证明，表面的滑度可以通过调整其分子尺度的粗糙度来调节。这有助于解释为什么水滴可以很容易地从化学性质均匀的亲水表面上滑下来，同时也为设计低摩擦表面开辟了新的可能性——使研究人员能够制造出他们认为是有史以来最光滑的表面。这种表面可以用于自清洁涂层。

表面的滑溜性对地形的不均匀性或粗糙度很敏感，一些研究表明，这种敏感性一直持续到分子水平。然而，液滴不容易在大多数亲水表面上滑动，除了一些例外，如基于聚乙二醇的表面。阿尔托大学(Aalto University)的罗宾•拉斯(Robin Ras)说:“只有一些报道，但(研究人员)并没有真正解释其起源。”

Ras和同事们决定系统地研究水的滑脱是如何随着疏水性而变化的，他们将原始的亲水性二氧化硅放置在真空室中，并使用气相沉积在表面形成部分疏水性的辛基三氯硅烷单层。通过改变沉积时间，他们创造了几乎完全亲水的表面，亲水和疏水岛屿的拼凑，几乎完全疏水。

当他们测试表面的滑溜性时，他们发现水很容易从疏水性辛基三氯硅烷密集覆盖的表面滑下来。但是水滴很容易从高度亲水的表面上滑落，这种化学物质很少覆盖。在中等覆盖范围内，水滴所经历的摩擦比亲水性或疏水性表面都要大得多。研究人员随后转向分子动力学模拟来解释原因。

计算模型显示，不同的自组装单层覆盖的辛基三氯硅烷改变了表面的光滑性。低覆盖率和高覆盖率都会产生高度光滑的表面，但原因不同。但在涂层不完整的地方，表面就不那么光滑，水滴就容易聚集在一起

在高度疏水的情况下，水滴以非常陡的角度接触表面，因此只有相对较小的液滴接触并容易滑落。这种使表面变形以减少液滴接触面积的原理是众所周知的，并且通常用于超疏水表面。其他案例让研究人员更惊讶。在低覆盖率的亲水性情况下，水扩散形成覆盖表面的薄膜。其他水滴与这一层形成了很大的接触面接触，但由于这一层的流动性很强，它润滑了水滴通过表面的通道。然而，在中间情况下，这种亲水性表面效应被疏水岛破坏了。水滴不是在相邻的水层表面滑过，也不是在疏水表面掠过，而是反复地搅动。拉斯说:“实际上，我们在研究的时候并没有预料到这一点，但回过头来看，这与异质性与摩擦有关的观点非常吻合，所以这是合乎逻辑的。”

研究人员将他们的工作扩展到制造超滑超疏水表面。他们在一层氧化铝覆盖的黑硅上生长了疏水单层，黑硅在微米尺度上进行了纹理处理，以尽量减少液滴接触面积，并创造了一个异常的超疏水表面。拉斯解释说:“通常的方法是通过尽可能精细的结构来减少液滴与表面接触的面积，但人们并没有真正关注于调整表面化学。”然而，在这里，研究人员结合了物理和化学疏水性。拉斯解释说:“接触面积非常小，在接触表面的地方就有了润滑效果。”结果，他们相信，是有史以来最滑的表面。拉斯相信这种方法是可扩展的，他说他已经“与许多表示有兴趣的公司进行了多次讨论”。

扫描电镜图像的硅表面涂氧化铝和单层(左)。由于表面的微观结构，水滴与表面的接触非常低，使其非常光滑(右图)

“我认为这是一篇重要的论文，”美国SLAC国家加速器实验室的马修·马特(Mathew Mate)说，尽管他对研究人员的惊讶感到好奇。他说，对我来说，这并不违反直觉。“我喜欢这篇论文中所做的科学研究，它确实在分子水平上展示了我认为会发生的事情。”他还补充说，“如果超疏水表面是迄今为止最光滑的表面，那么这本身就是一个非常重要的发现。”