张永琪

通讯作者：满佳教授

通讯单位：山东大学机械工程学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202506039

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类液体涂层以其超低黏滞特性及高效的防污能力受到了极大的关注。该研究针对当前类液体涂层在低滑动角与低表面张力液体排斥性能协同优化方面的技术瓶颈，创新开发了基于二甲基二甲氧基硅烷与全氟辛基甲基二氯硅烷的双组分类液体涂层。与传统全硅氧烷或全氟硅氧烷体系相比，该研究开发的类液体表面能够通过异质界面调控获得高的分子链柔性和低的表面能，同时实现低滑动角和广谱疏液性。该类液体涂层具有出色的减阻性能、低表面能液体排斥效果（正己烷滑动角＜3°）及对多态污染物的广谱防污特性。此外，该涂层在极端条件下表现出了良好的稳定性，证明了其在实际应用中的潜力。该研究系统探究了涂层单体比例与制备工艺对其性能的影响，并建立了组分-结构-性能之间的对应关系。特别地，该研究发现当全氟辛基甲基二氯硅烷单体在较高浓度范围内增加时，涂层的液体排斥效果随表面能降低而出现反常下降趋势。针对这一现象，该研究结合原子力显微镜测试和分子动力学模拟，首次从分子链运动的角度揭示了单体配比对类液体涂层动态润湿行为的影响机制。该研究有望为多组分类液体涂层的开发提供理论和技术参考。

背景介绍

润湿现象作为固液界面相互作用的核心，对生物系统的功能演化以及工程材料的性能设计有着极为深远的影响。非润湿性界面因具备独特的液体排斥特性，在防冰、减阻、防污等诸多领域都具有极为重要的应用价值。类液体表面作为一种新兴的纳米功能涂层，展现出了极为卓越的疏液性能。其核心设计策略是通过共价接枝的方式，将具有高柔顺性的聚合物分子刷固定在光滑的基底表面，以此构建出动态分子层。这种高柔顺性的分子链赋予了表面动态流动性，使得液滴能够在低粘滞界面上以极低的滑动角快速滑移。正因如此，类液体表面在防污、液滴传输和膜分离等诸多领域都展现出了极为巨大的应用潜力。

类液体表面主要由聚硅氧烷分子刷或聚醚分子刷构成。主链为Si-O-Si的硅氧烷分子刷，相较于主链为C-O-C的聚醚分子刷，具有更大的键长、键角以及相邻原子间的电负性差异，从而展现出更高的链灵活性和更低的化学键旋转能。除此之外，硅氧烷分子刷的制备工艺更为简单，反应条件也更为温和，且链长可调节，因此在实际应用中更具前景。然而，聚硅氧烷分子刷类液体表面目前仍面临着低滑动角与低表面张力液体排斥性能协同优化的技术难题。线性聚二甲基硅氧烷类液体表面因其简单的制备工艺和优异的疏液性能而被广泛应用，对水和油等高表面张力液体展现出极低的滑动角。但是，由于自身表面能的限制，它难以排斥正己烷等表面能极低的液体，这在很大程度上限制了其在有机溶剂处理领域的应用潜力。为了使液体表面对极低表面能的液体保持卓越的疏液能力，研究者引入了氟硅烷来制备类液体表面。虽然能够有效排斥低表面能液体，但会使表面的液滴滑动角增大。

综上所述，聚硅氧烷类液体表面目前仍面临着难以同时实现低滑动角和疏液普适性的巨大挑战。此外，氟硅烷单体引入对类液体表面动态润湿行为的调控机制尚不明确，且目前还缺乏从微观和理论层面的深入解析。

研究出发点

1）该研究通过二甲基二甲氧基硅烷与全氟辛基二甲氧基硅烷共聚制备了一种双组分多功能类液体涂层，并通过异质界面调控，实现了类液体涂层低滑动角与广谱疏液性的协同优化。

2）深入系统地研究了双组分类液体涂层中单体比例以及制备工艺对其疏液和防污性能所产生的影响，建立了涂层组分、结构与性能之间的对应关联。

3）针对氟硅烷单体在较高浓度范围内增加时，类液体涂层的液体排斥效果随表面能降低而下降的反常趋势，借助原子力显微镜测试和分子动力学模拟，从分子链运动特性的角度揭示了氟硅烷引入对固-液界面动态行为的调控机制。

图文解析

该研究针对传统类液体表面面临的低滑动角与低表面张力液体排斥性能协同优化技术瓶颈，通过二甲基二甲氧基硅烷与全氟辛基二甲氧基硅烷的共聚，开发了一种多功能双组分类液体涂层，通过异质界面调控实现了低滑动角与广谱疏液性的协同优化，并展现出卓越的广谱防污性能。

图1. 多功能类液体涂层的构建过程示意图

X射线光电子能谱（XPS）被用来探究类液体表面化学结构随其单体比例的变化情况。结果显示，随着氟硅烷单体含量的增加，类液体涂层中氟元素的含量也逐渐升高，表明通过调节预聚合溶液中单体的比例，能够有效调控聚合物链中单体的组成比例。此外，原子力显微镜图像被用来进一步证明涂层的成功构建。

图2. 类液体涂层的表征

为了探究类液体涂层制备工艺对其表面性质的影响，利用椭圆偏振光谱仪对涂层的厚度进行分析。结果表明，类液体涂层的厚度随着等离子体处理时间（影响接枝密度）和接枝时间（影响分子刷长度）的增加呈现出先上升后稳定的非线性趋势，但不受溶液预聚合时间的影响。与之对应，类液体涂层表面液滴的滑动角随其接枝密度与分子刷长度的增加呈现下降趋势。

图3. 类液体涂层制备工艺对其厚度及滑动角的影响

类液体涂层的表面性质由其单体比例决定，测试结果表明，类液体涂层对各表面能液滴的接触角随含氟单体比例的增加而升高，涂层的表面能随含氟单体比例的增加而降低。其中，正己烷在不含氟的类液体涂层表面表现出完全浸润的行为，含氟单体的引入能够有效降低正己烷在涂层表面的润湿性。值得注意的是，随着涂层中含氟单体比例的增加，液滴在涂层表面的滑动角呈现出先降低后升高的趋势，与Young-Dupré方程的预期不符，表明不能仅通过表面能的变化来解释含氟单体引入对液滴滑动角的影响。该研究中使用的单体为全氟辛基甲基二氯硅烷，虽然能够显著降低类液体涂层的表面能，但其较长的碳链结构在空间位阻效应的作用下，会限制Si-O-Si主链的拉伸、旋转与弯曲等变形，从而降低聚合物刷的柔性。随着含氟单体含量的增加，虽然涂层表面能进一步降低，但聚合物链的柔性逐渐变差，其产生的动力学屏障对液滴滑移的抑制作用显著超过表面能降低的促进作用，最终导致界面滑移性能劣化，这会在后续的实验中验证。

图4. 类液体涂层单体比例对其疏液性能的影响

为系统探究类液体涂层的组分及制备工艺对其分子链运动特性的影响，该研究借助原子力显微镜测试不同类液体涂层表面的摩擦系数。结果表明，随着含氟单体比例的增加，涂层表面的摩擦系数逐渐升高，证明含氟单体中的长碳链确实会对类液体涂层中聚合物链分子的运动产生限制，验证了该研究从分子链运动角度解释含氟单体比例过高导致液滴滑动角增加这一现象的合理性，揭示了类液体涂层中分子链运动特性与疏液性能之间的内在关联。此外，类液体涂层表面的摩擦系数随等离子体处理时间和接枝时间的增加均呈现先降低后趋于稳定的趋势，这与分子刷密度与长度的变化趋势对应。

图5. 类液体涂层组分与制备工艺对其表面摩擦系数的影响

在该研究中，采用流变仪对不同单体比例的类液体涂层的减阻性能进行了测试。研究结果表明，所开发的双组分类液体涂层展现出了极为卓越的减阻性能。当含氟单体的质量分数达到50%时，该涂层的减阻效果最为显著，在湍流状态下，其减阻率可达到7.3%，这一结果与液滴滑动角的变化趋势呈现出良好的对应关系。这是因为类液体涂层不仅能够赋予各种极性或非极性液体低粘附性和易滑落的特性，还在剪切作用下展现出类似Couette流动行为，并具备有效的黏度。这些特性使得类液体涂层在剪切力下表现出类似液体润滑剂的特性。当液体流过涂层表面时，能够诱导形成滑动的类液体界面，进而促使流体发生滑移，从而实现减阻效果。

图6. 类液体涂层表面减阻性能

微生物粘附实验结果显示，该研究构建的类液体涂层可有效防止微生物粘附，最高可将金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的粘附量降低约98%，硅藻的粘附量降低88%，展现出巨大的医疗器械与海洋装备防污潜力。其防微生物粘附性能主要源于类液体涂层产生的空间斥力，这种斥力能有效阻止微生物与基底表面粘附。同时，涂层的低表面能使细菌在粘附时需克服更大的能量壁垒，从而在热力学上变得不利。此外，类液体涂层中聚合物链的高自由度使其难以被微生物定殖。值得注意的是，随着涂层中含氟单体比例的增加，细菌菌落数量呈现出先减少后增加的趋势，这一结果与滑动角、减阻率等测试结果一致。这是因为类液体涂层的疏液性能、动态抗菌粘附性能和减阻性能均受涂层表面能和分子链运动特性共同影响。

图7. 类液体涂层表面防污性能

采用胶体探针原子力显微镜探究了类液体涂层单体比例及制备工艺对其表面微观粘附力的影响，以揭示其抗微生物粘附的机制。结果表明，随着含氟单体比例的增加、等离子体处理时间的延长以及接枝时间的增长，类液体涂层表面对探针的微观粘附力呈现出逐渐降低的趋势，最高可降低90%以上。这种低的粘附力使得已粘附于样品表面的微生物在水流剪切作用下更容易脱附，从而实现防污效果。其中，类液体涂层表面微观粘附力随着含氟单体比例的变化进一步证明了低表面能对涂层抗粘附性能的提升作用。

图8. 类液体涂层表面微观防粘附性能

该研究构建的类液体涂层不仅展现出优异的耐胶粘性能，还具备卓越的防冰性能。结果表明，该涂层能够显著降低双面胶的结合强度，降幅可达70%以上；同时，冰的粘附强度也可降低80%以上。通过调节含氟单体的比例，涂层性能得到进一步优化，最高可将双面胶的结合强度降低88.4%，冰的粘附强度降低92.1%。

图9. 类液体涂层防胶粘及防冰性能

在紫外线照射、超声处理、高浓度盐水浸泡、沸水浸泡、低温冷冻及摩擦剪切等极端条件下测试类液体涂层的稳定性，结果表明涂层对各表面张力液滴的滑动角基本没有变化，证明涂层具有极其出色的稳定性。

图10. 类液体涂层稳定性测试

该研究构建的多组分类液体涂层展现出卓越的防油墨性能，可将油墨覆盖面积降低70%以上，且油墨可通过擦拭轻松去除。此外，该涂层具备优良的自清洁功能，能有效抵御尘土污染，在少量水的冲刷下即可实现自清洁，有望应用于摄像机镜头、光伏板等户外场景。

图11 类液体涂层防油墨及自清洁测试

为了验证前文提出的假设，即含氟单体比例的增加会导致聚合物链的流动性变差，从而导致液滴滑动角增大，该研究借助分子动力学模拟对聚合物链的流动性随单体比例的变化情况进行了深入研究。通过统计均方根位移和平均回转半径，对不同单体比例分子链的运动特性进行了评估。研究结果表明，随着含氟单体比例的增加，分子链的均方根位移和平均回转半径呈现出逐渐降低的趋势，这表明分子链的运动受到了明显的限制。此外，分子动力学模拟结果还表明，随着含氟单体比例的增加，类液体表面的疏液性能逐渐提升。当含氟单体质量分数达到50%时，类液体涂层不仅具有良好的分子链运动特性，还展现出优异的疏液性能，因此此时液滴滑动角最小，与前文的研究趋势相一致。

图12. 类液体涂层分子链运动特性和疏水性能的分子动力学模拟

总结与展望

该研究通过二甲基二甲氧基硅烷和全氟辛基二氯硅烷的共聚成功制备了一种新型双组分类液体涂层。与传统单组分类液体涂层相比，该涂层可通过异质界面调节同时实现低滑动角和广谱液体排斥性。这种双组分类液体涂层对低表面能液体（γ=18.4 mN/m）展现出卓越的排斥性、良好的减阻性能以及多态污染物的抗污特性，同时在极端环境条件下表现出出色的稳定性。该研究系统地研究了单体比例和制备工艺对类液体涂层性能的影响，建立了组分-结构-性能关系。值得注意的是，当全氟辛基二氯硅烷单体浓度超过一定较高阈值时，尽管表面能降低，液体排斥性却出现了异常下降。为了阐明这一现象，该研究结合原子力显微镜和分子动力学模拟，首次从分子链运动的角度揭示了单体比例如何影响双组分类液体涂层的动态润湿行为。这些发现为多组分类液体涂层的分子链设计和性能优化提供了理论指导。

课题组介绍

满佳教授课题组主页：https://www.mech.sdu.edu.cn/info/1127/136046.htm

原文信息

Y.Zhang, J. Man, G. Cui, Z, Zou, X. Song, M. Ji, J. Li, J. Li, Construction of Multifunctional Liquid-Like Coatings: Heterogeneous Interface Regulation Enabling Exceptional Drag Reduction and Repellency Against Multistate Pollutants. Small. 2025, 2506039.