中科院团队受苔藓启发，以浸润诱导转移策略为指导思想，造出水下超疏油“粘滑皮肤”，有...
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对于超疏水，很多人已经并不陌生。但您是否听过超疏油？在海洋设施防护、和抗生物粘附等领域，具备防污性能的水下超疏油表面有着广阔的应用前景。
近日，中科院理化所王树涛研究员和团队，研发出一款受青苔启发的粘滑皮肤，在纯水和高浓度盐水（1M NaCl）中表现出长时间的粘附性和防油污稳定性，有望用于海洋船舶、水中平台设施、管道防污等领域。
2 月 18 日，相关论文以《WET 诱导的分层油水凝胶作为生物启发的“粘滑皮肤”用于水下仿油污》（WET-Induced Layered Organohydrogel as Bioinspired “Sticky−Slippy Skin” for Robust Underwater Oil-Repellency）为题，发表在 Advanced Materials上[1]。王树涛担任通讯作者，中科院院士江雷担任共同作者。
专注仿生十几载，深究水下防油污
王树涛表示，其课题组长期从事仿生界面功能材料的研究，遵循“有所发现，有所发明，有所创造“的仿生理念，早在十几年前就通过研究鱼皮、荷叶下表面、蛤蜊内表面、海藻等生物组织的结构和化学成分，制备出了基于环氧树脂、氧化铜、海藻酸钙等材料的水下超疏油表面。
此后多年间，其它课题组也相继发表了多篇基于无机材料比如碳酸钙、二氧化钛、二氧化硅、以及有机材料比如两性聚合物、纳米纤维素、接枝共聚物等的水下超疏油表面的论文，这些材料均表现出优异、且稳定的防油污性能。
“同样是水下防油污，我们的工作之所以在今天还能得到同行的认可，我认为主要是考虑到了水下超疏油材料在基底表面的粘附问题。”王树涛说。
海洋防污领域是水下超疏油材料的主要应用场景。假如能直接粘附在船舶、管道等表面，将大大提高其现实意义。但是，此前领域内发表的大部分论文，都着重于材料本身的防污性能，很少关注到它和基底表面的粘附强度。
尽管有少部分研究实现了在不同基底表面修饰防油污涂层，但都不可避免地局限于复杂的制备过程、使用过程或材料本身的过度溶胀，有的还必须依赖有机溶剂。
而该团队此次制备的“粘滑皮肤”，除了具备基底普适性、抗溶胀/抗弯曲性、酸碱耐受性等化学性能，更大的优势在于制备简便、即贴即用和可大规模制备，这为它走向应用市场打下了坚实基础。
在上一次工作中[2]，王树涛等人提出浸润诱导转移（wetting-enabled-transfer, WET）的策略。本次工作在此前基础上制备出一种集“粘”和“滑”于一体的“粘滑皮肤”，这是 WET 策略在材料设计上的一个新的突破。两位审稿人都认为这是一个非常有趣并且综合性强的工作，也很好地支撑了之前提出的 WET 策略。
有了上次成果的研究基础，本次工作也比较顺利。在调节凝胶的化学组成时，团队成员戴着乳胶手套将凝胶从水中捞出，偶然发现表面的油凝胶区域很粘手套，这完全不同于水凝胶区域的润滑感。接着，该团队便开始详细研究凝胶的“粘滑”性质及其影响因素。
有所发现-机理探索-遭遇瓶颈-另辟蹊径
据悉，在 2021 年过年前三周，该团队收到了审稿意见。为让学生安心过个好年，王树涛让学生在前两周把要补的实验尽可能地补完。进行其中某个实验时，所里没有相关仪器，只好联系外部单位。最后，总算赶在外单位老师放假的前一天拿到了相关数据。拿到数据后，又把论文的语言表达修改了三四遍，最后在大年二十九晚上提交了审稿意见。提交完审稿意见，王树涛才有时间去看春晚（2021 年农历大年二十九是最后一天）。
“而如果一定要把研究历程分为几个步骤，我认为是有所发现-机理探索-遭遇瓶颈-另辟蹊径。”他总结称。
在“有所发现”这一步，他鼓励学生提出自己的想法，敢于创新和探索，不要理所当然地推测自己的实验结果，也不要轻易放过每一个觉得意外的实验现象。
“所以当学生提到‘表面的油凝胶区域很粘手套’这个现象时，我觉得可以利用这个性质做出新工作，学生动手能力也很快，很快便全面调研了课题背景。在确定研究新意后，我们迅速制定了实验计划，并大致构思了文章每幅图的内容。”他说。
在“机理探索”上，通过调控实验条件，该团队摸索了“粘滑”性质的影响因素，并得到有一定规律性的实验结果。在机理解释这块，他们遇到的问题是：为什么在相同的聚合条件下，两侧的结构和粘附/润滑性质表现出如此大的区别？
得益于该小组长期从事界面粘附相关工作的基础，王树涛等人提出了合理的理论猜想，并通过荧光共聚焦显微镜、扫描电镜、摩擦磨损测试等手段对该猜想予以证实。
即便如此，他们还是遭遇了瓶颈。具体来说，在获得实验现象、并证明相关机理后，接下来要做的便是最大程度提升材料的性能，比如粘性、滑性（防污性能）、机械性能等。
但是问题在于，尽管“粘滑皮肤”的“滑层”表现出优异的水下超疏油性、耐酸碱性，稳定性和耐刮挠性，可是“粘层”的粘附性能却不尽人意，在部分材料比如聚四氟乙烯的表面粘附强度较低，在水下的稳定性也有待提高。
为此，通过降低油凝胶的交联度，王树涛把“粘层”的粘附强度提升了 5-10 倍。美中不足的是，这也让材料整体的机械性能做出了牺牲。
最后一步便是“另辟蹊径”。研究期间，课题曾停滞一段时间。重启之后，王树涛发现在“粘层”和多种商用粘附剂的相容性特别好，结合在一起的复合材料的界面粘附强度远高于“粘滑皮肤”的本体强度。
这意味着，该团队可通过简单的贴合、涂抹、或喷涂方式，将市面上几乎所有不同形态的商用粘合剂，与此次制备的“粘滑皮肤”相结合。这既能改善界面粘附强度，也可大大提高材料的机械强度。
十分具备“走向货架”的潜力
王树涛说：“从审稿人提的很多问题中，相信他们考虑问题的角度和我们是一致的，即除了对基础理论的研究，也十分关注这种材料将来走向货架的潜力。”
据介绍，由于船舶、码头等水位线以下的壳体长期与海水接触，这会让它们遭到海水腐蚀。而污染物的附着会导致船舶航速变缓，进而造成能源浪费。此外，管道长期被油类污染，造成管道堵塞，这也会造成巨大的经济损失。
未来，若对该材料的性能加以改进，有望让“粘滑皮肤”具备多种优势，比如防油污/防微生物附着、成本低廉、高粘附强度、高稳定性、质量轻等，从而解决上述难题。
还有一个潜在的应用场景更加“家常”，当我们做家务、或者做实验需要接触粘性物质时，只需把“粘滑皮肤”的贴片直接粘在手套上，它的“滑层”就能防止粘性物质的粘连。同时，贴片的尺寸、性质和厚度都很容易被调节，从而可以满足不同的使用需求。
童年烦恼竟成日后科研灵感
尽管该论文证实了“粘滑皮肤”在纯水和高浓度盐水（1M NaCl）中的长时间粘附和防油污稳定性。但是真实的海洋环境更为复杂，实际应用时需考虑诸多因素，比如多种金属离子、微生物附着、小分子污染等。因此发展出一种可在真实海洋环境中长时间粘附和高效防污的材料仍然是一个挑战。
另外，鉴于海洋中蕴含巨大资源、及其重要的军事战略地位。近年来，人们愈发重视海洋勘探和开发。为满足海洋探索和军事需求，要想在各种海域中进行无视觉障碍的工作、以及传递相关信息，对表面功能材料的透明性提出了极高要求。
上述两点是此次材料需要改进的地方，也是该团队在后续工作中努力的方向。
都说艺术源于生活，其实做科研也一样。王树涛团队长期从事仿生多尺度粘附可控界面材料的研究。他说，仿生、仿生、“生”既是自然界中的生命体，同时也是生活。
说到这里，王树涛感慨：“那些有趣的生物存在于大自然中已有亿万年，但是真正从生活中发现它们、研究它们、模仿它们、超越它们的人却很少。那些池塘、公园、屋瓦上随处可见的青苔，小时候觉得很烦人，因为总是被它们滑倒而摔跤，现在却从它们这儿得到了科研灵感。还有蜻蜓的脖颈、鸟类的羽毛、蜘蛛的丝等等都是儿时在田间玩耍时随处就能观察到的。让我庆幸的是，不管在哪个时间段我都保持着一颗好奇心，这种好奇心不仅指对新鲜事物的观察与探索，也是对一些约定俗成的事物保有质疑的勇气。我希望我的学生在科研生涯中也能一直拥有这种好奇心，保持对科研的热情，出于兴趣去探索大自然中独特现象背后的奥秘。”
-End-
1、Wan, X., Jia, L., Liu, X., Dai, B., Jiang, L., & Wang, S. (2022). WET‐induced Layered Organohydrogel as Bioinspired “Sticky‐Slippy Skin” for Robust Underwater Oil‐Repellency. Adv. Mater., 2110408.
2、Wan, X., Xu, X., Liu, X., Jia, L., He, X., & Wang, S. (2021). A Wetting‐Enabled‐Transfer (WET) Strategy for Precise Surface Patterning of Organohydrogels. Adv. Mater. 33, 2008557
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