近日，中國科學(xué)院院士、中科院理化技術(shù)研究所研究員江雷和研究員田野團隊在Accounts of Chemical Research上，以Bioinspired superspreading surfaces:from essential mechanism to application為題，發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)提出了超鋪展概念及其表征方法，綜述了超鋪展表面的本質(zhì)機理及研究進展，總結(jié)了超鋪展的應(yīng)用領(lǐng)域，展望了領(lǐng)域內(nèi)遺留的重大挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。

根據(jù)1805年提出的楊氏方程，熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)接觸角被廣泛用于表征表面浸潤性，并根據(jù)其定義宏觀穩(wěn)態(tài)接觸角小于5°的表面為超親液表面。但該表征方法在描述液體的動力學(xué)鋪展過程時，顯示出較大局限性。

江雷團隊過去已經(jīng)對液體動態(tài)鋪展過程進行了研究，并將其應(yīng)用于薄膜制備、分離、散熱等領(lǐng)域。研究中發(fā)現(xiàn)，表面的性質(zhì)主要由液體的動力學(xué)動態(tài)鋪展速度主導(dǎo)，而不是熱力學(xué)上的超親性。在此基礎(chǔ)上，該綜述正式提出，在描述液體動力學(xué)鋪展過程時，應(yīng)該使用超鋪展（Superspreading）這一概念，而不是經(jīng)典的超親液概念（Superhydrophilic/Superlyophilic），并建議使用超鋪展時間（Superspreading time，ST，一滴液滴從接觸表面到完全鋪展至接觸角達到0°所需要的時間）或者鋪展半徑隨時間變化曲線（Superspreading Radius versus Spreading Time,SRST）來定量表征這些表面的動力學(xué)鋪展性質(zhì)。科研人員傾向于使用體積為2μL的液滴，此時液體的尺寸小于其毛細長度，其主要動力學(xué)行為受表面張力驅(qū)動而忽略重力的影響。

文章介紹了經(jīng)過億萬年進化后自然界中選擇留下的各種優(yōu)異超鋪展表面，包括動物角膜、宣紙等。自然界中超鋪展表面的優(yōu)異性能直接決定了其正常作用的發(fā)揮甚至其生理功能。這些自然表面均使用了微納復(fù)合的多尺度結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超鋪展性能；從分子尺度的表面自組裝水分子結(jié)構(gòu)引起的新的親疏水界線（65°）到納米結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)在超鋪展過程中的宏觀各自作用，綜述了超鋪展本質(zhì)機理研究的最新進展；進一步總結(jié)了常用的超鋪展表面制備方法、介紹了超鋪展表面的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了超鋪展體系，總結(jié)了該領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)。

超鋪展領(lǐng)域的研究處于起步階段，盡管近年來取得了快速發(fā)展，但仍存在大量問題：機理方面，表面水分子的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)熱力學(xué)中使用的固-氣、固-液表面張力的聯(lián)系仍十分模糊；如何從動力學(xué)角度理解納米結(jié)構(gòu)對超鋪展閾值的影響成為難題。應(yīng)用方面，超鋪展表面的長期穩(wěn)定性仍成為瓶頸，尤其對于暴露在空氣中的表面；大面積超鋪展表面的制備成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

圖1.超鋪展概念總覽

圖2.自然界中的超鋪展表面

圖3.超鋪展體系

圖4.新的親疏水界線

圖5.納米結(jié)構(gòu)在超鋪展中的作用

圖6.微米結(jié)構(gòu)在超鋪展中的作用

圖7.超鋪展表面用于薄膜制備