团队开发出超疏水表面可以在水下保持干燥数月

尽管有一种蜘蛛的肺部只能呼吸大气中的氧气，但它一生都生活在水下。它是如何做到的?这种蜘蛛被称为“ArgyronetaAquatica”，拥有数百万根粗糙、防水的毛发，可以将空气困在身体周围，形成氧气储存库，并充当蜘蛛肺部和水之间的屏障。

这层薄薄的空气被称为腹甲，几十年来，材料科学家一直试图利用它的保护作用。这样做可以产生水下超疏水表面，能够防止腐蚀、细菌生长、海洋生物的粘附、化学污垢和液体对表面的其他有害影响。但事实证明，腹甲在水下非常不稳定，在实验室中只能保持表面干燥几个小时。

现在，由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)、哈佛大学维斯生物启发工程研究所、德国弗里德里希·亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡和阿尔托大学领导的研究小组芬兰开发出了一种具有稳定腹甲的超疏水表面，可以在水下持续数月。

该团队的总体策略是创造持久的水下超疏水表面，这种表面可以排斥血液，并大大减少或防止细菌和海洋生物(如藤壶和贻贝)的粘附，从而在生物医学和工业领域开辟了一系列应用。

该研究发表在《自然材料》杂志上。

艾米·史密斯·贝里尔森(AmySmithBerylson)教授乔安娜·艾森伯格(JoannaAizenberg)表示：“仿生材料的研究是一个非常令人兴奋的领域，它将继续将自然界中进化出的优雅解决方案带入人造材料领域，这使我们能够推出具有前所未见特性的新材料。”SEAS材料科学博士、化学与化学生物学教授，也是该论文的合著者。“这项研究举例说明了揭示这些原理如何能够开发出在水下保持超疏水性的​​表面。”

艾森伯格还是维斯研究所的副教员。

20年前，研究人员就知道稳定的水下腹甲在理论上是可能的，但直到现在，还无法通过实验证明这一点。

腹甲最大的问题之一是它们需要粗糙的表面才能形成，就像银鲛的毛发一样。但这种粗糙度使得表面机械不稳定，并且容易受到温度、压力或微小缺陷的任何小扰动。

Tesler和WolfgangH.Goldmann及其团队确定了一组更大的参数，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、腹甲覆盖率的信息、接触角等等，当与热力学理论相结合时，他们能够确定空气腹甲是否稳定。

通过这种新方法和简单的制造技术，该团队用一种常用且廉价的钛合金设计了一种所谓的亲气表面，该表面具有持久的腹甲，使表面保持干燥的时间比之前的实验长数千小时，甚至比之前的实验更长。生物的腹甲。

“我们使用了20年前理论家提出的表征方法来证明我们的表面是稳定的，这意味着我们不仅制造了一种新型的极其排斥、极其耐用的超疏水表面，而且我们还可以拥有一条途径用不同的材料再次做一遍，”SEAS和Wyss研究所的前博士后研究员、该论文的主要作者Tesler说。

为了证明腹甲的稳定性，研究人员将其表面通过了环形装置——弯曲、扭转、用热水和冷水喷射，并用沙子和钢材打磨，以阻止表面保持亲气性。它在水中存活了208天，并在充满血液的培养皿中浸泡了数百次。它严重减少了大肠杆菌和藤壶在其表面的生长，并完全阻止了贻贝的粘附。

SEAS研究生、该论文的合著者StefanKolle表示：“该系统的稳定性、简单性和可扩展性使其对实际应用很有价值。”“通过此处所示的表征方法，我们演示了一个简单的工具包，可让您优化超疏水表面以达到稳定性，从而极大地改变您的应用空间。”

该论文的资深作者、前哈佛大学研究员戈德曼表示，该应用领域包括生物医学应用，可用于减少手术后感染或用作支架等可生物降解的植入物。它还包括水下应用，可以防止管道和传感器腐蚀。未来，它甚至可以与Aizenberg和她的团队十多年前开发的SLIPS(光滑液体注入多孔表面)超光滑涂层结合使用，以进一步保护表面免受污染。