類液體表面（Liquid-like surfaces, LLSs）通常是将高柔性聚合物接枝到光滑固體表面形成的一種全疏表面，接枝聚合物的分子結構顯著影響LLSs的關鍵特性如去潤濕（排斥物質的能力）和耐久性（排斥物質的穩定性）。與具有微納米結構脆弱性問題的超疏水表面和具有液體潤滑劑損失問題的液體灌注表面相比，LLSs對各種污染物表現出穩定的驅避能力，是以在生物、環境和能源等多個領域得到了廣泛的研究。然而，大多數已報道的LLSs不能滿足實際應用的要求，特别是在去潤濕和耐久性方面。
近日，中科院理化技術研究所王樹濤/孟靖昕團隊在Advanced Materials上發表了題為“Liquid-Like Surfaces with Enhanced De-wettability and Durability: From Structural Designs to Potential Applications”的綜述文章（DOI：10.1002/adma.202407315）。這篇綜述文章從分子結構演化的角度對LLSs的發展進行了詳細的概述，并重點介紹了通過優化LLSs的分子結構設計（線性、環狀、交聯和雜化結構）來提高其去潤濕和耐久性的最新研究進展，以及論述了基于LLSs的不同應用（液體抗粘附/運輸/冷凝，抗結冰/結垢/蠟化，和抗生物污垢），最後展望了LLSs的設計、性能、功能和應用面臨的一些挑戰。
在過去的二十年裡，為了滿足各種應用的迫切需求，研究人員通過設計不同的分子結構（線性、環狀、交聯和雜化結構）來制備具有增強的去潤濕和耐用性的LLSs（圖1）。一般而言，與環狀、交聯和雜化結構接枝的LLSs相比，接枝線性鍊的LLSs具有更好的去潤濕性，但耐久性較差。接枝線性分子鍊的LLSs耐久性差可歸因于三種潛在的機制：聚合物鍊本身的斷裂、聚合物鍊從接枝表面脫離以及兩者的結合。接枝分子結構從線性到環狀，最終到交聯網絡的轉變可以減輕聚合物鍊斷裂的影響，進而有效提高耐久性。此外，采用雜化結構提高LLSs的硬度，進而大幅提高LLSs的耐磨性和耐久性，進而延長其使用壽命。是以，如圖1所示，接枝這四種結構的LLSs的耐久性從左到右逐漸增加。
圖1. 表面接枝線性鍊、環鍊、交聯網絡和雜化結構的LLSs的發展曆史。
為有效增強LLSs的去潤濕性，可以接枝具有較大鍵長、鍵角和不同電負性的線性分子鍊。線性PDMS鍊的分子量在2000 g mol-1和10000 g mol-1之間或接枝密度Σ在1和5之間可用于制備具有優異去潤濕的LLSs。環形分子鍊或交聯網絡可以取代常見的線性聚合物鍊來制造相對耐用的LLSs，在有機分子鍊中添加無機物可以制備具有超強耐久性的LLSs。優異去潤濕和耐久性間的權衡需要根據實際應用去選擇。
圖2. 線性分子鍊種類、接枝密度和鍊構象對LLSs性能的影響。
圖3. 線性分子鍊的分子量、端基和支化結構對LLSs性能的影響。
圖4.環形分子鍊設計獲得的高性能LLSs。
圖5. 通過交聯網絡結構設計獲得的高性能LLSs。
圖6. 通過雜化結構設計獲得的高性能LLSs。接枝不同分子結構的LLSs各有優勢，也有局限性（圖7）。優化後的接枝線性分子鍊的LLSs具有超低的接觸角滞後值（CAH）和滾動角（SA），但其耐久性仍有待提高，以滿足各種惡劣應用場景的需求。交聯和雜化結構是提高LLSs機械耐磨性和耐久性的有效途徑。一般而言，随着耐久性的增加，LLSs的CAH和SA随之增加。是以，必須克服LLSs的脫濕性和耐久性之間的權衡。具有優異的去潤濕（如CAH < 5°）和在各種惡劣條件下的高耐久性的LLSs非常适合實際應用，這可以通過設計創新的分子結構來實作。
圖7. 接枝不同分子結構的LLSs的去潤濕和耐久性對比。為了全面研究LLSs的耐久性，研究學者選用了不同的試驗手段來評估其在各種惡劣環境下的性能（表1）。然而，現有的研究缺乏标準的測試方法來評估LLSs的耐久性，使得研究之間的交叉對比變得困難。表1列出了一些适用于評估LLSs耐久性的标準測試方法，以供研究人員參考。表1. 評估LLSs不同種類耐久性的測試方法。
圖8. LLSs未來發展趨勢的展望。濱州魏橋國科高等技術研究院助理研究員成肖鵬和中科院理化所博士生趙然為該論文的共同第一作者，通訊作者為中科院理化所王樹濤研究員和孟靖昕研究員。論文得到中科院戰略先導項目（XDB 0470201）、北京市自然科學基金（JQ23008）、濱州魏橋國科高等技術研究院啟動基金和國家自然科學基金（22275203）的資助。
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來源：高分子科學前沿
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