6月3日，《Nature》正式刊发了华体会体育周天丰教授与电子科技大学邓旭教授团队和芬兰阿尔托大学Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被选为当期封面。该论文提出去耦合机制将表面浸润性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，通过在两个结构尺度上分别进行最优设计，为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”，解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

　　仿生荷叶的超疏水材料由于其独特的固-液界面性质，在表面自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大的应用潜力，随之又发展出了一系列如超亲水、超疏油等超浸润系统理论。微/纳米粗糙结构在机械载荷下会产生极高的局部压强，使其易碎易磨损。此外，磨损会暴露底层材料，改变表面的局部化学性质使其从疏水性变成亲水性，导致水滴钉扎。长期以来，人们认为表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特性，正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”。因此，如何保证在拥有良好超疏水性能的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料面对实际应用亟待解决的关键难题。

微结构铠甲的设计

铠甲化超疏水表面展现出优秀的机械稳定性

　　该论文基于全新思路，首次通过去耦合机制将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，并提出微结构“铠甲”保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念。玻璃铠甲化表面在集成高强度机械稳定性、耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能的同时，还实现了玻璃铠甲化表面的高透光率，为该表面应用于自清洁车用玻璃、太阳能电池盖板、建筑玻璃幕墙创造了必要条件。华体会体育发挥其在玻璃微纳结构制造方面的优势，利用玻璃模压成形法实现了倒金字塔阵列微结构的玻璃铠甲制造。该论文创新的设计思路和通用的制造策略展示了铠甲化超疏表面非凡的应用潜力，必将进一步推动超疏水表面进入广泛的实际应用。

　　论文全文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2331-8

倒金字塔阵列微结构的玻璃铠甲制造

　　此外，周天丰团队在两级微纳结构制造领域取得新进展。国际材料领域顶级期刊《Materials and Design》发表了华体会体育周天丰教授在两级虹彩结构设计及制造领域的原创性研究成果“Generation of high-saturation two-level iridescent structures by vibration-assisted fly cutting”。

微纳两级虹彩结构的设计与制造

　　该研究成果中，周天丰团队设计制造了微沟槽组成的衍射光栅微纳两级结构，建立了两级结构形状与衍射颜色的映射关系，并通过编码可以直接诱导出虹彩图案。团队首次提出了变频振动辅助飞刀切削加工（VAFC）方法，开发了VAFC试验平台，通过数值模拟仿真优化加工参数，实现了具有高饱和度和均匀性的两级虹彩结构高效超精密制造。该微纳两级结构有望在多色印刷，微显示器/投影仪，商标防伪，隐形隐身方面得到应用。

　　论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108839

 

附作者简介：

　　周天丰，男，汉族，中共党员，工学博士，华体会体育机械与车辆学院教授、医工融合研究院PI，博士生导师，“青年973首席科学家”，入选“高层次人才计划”和“霍英东教育基金”支持计划。专注于“微纳结构机械制造”研究，在新型模具材料制备、微纳模具制造和精密模压成形工艺及装备方面取得了创新性成果，并开拓微纳结构在光学探测/制导、光纤通信、医疗器械中的应用。