自恢复超疏材料：突破 Cassie-Wenzel 不可逆转化瓶颈
研究背景
超疏水材料的核心特征是液体通过 Cassie 态（液体位于粗糙结构顶部形成复合气液界面）实现极端润湿排斥特性，这一特性在自清洁、防污、微流体操控等领域具有重要应用。然而传统超疏水材料普遍存在不可逆润湿态转换问题：当受到外部扰动（如压力、冲击）时 Cassie 态会转变为被刺穿的 Wenzel 态，而刺穿的逆过程需要能量输入，导致材料性能不可逆失效。如何实现 Wenzel → Cassie 的自发转换，是领域内的核心难题。
研究难点
- 能量势垒阻碍：传统材料中 Cassie 与 Wenzel 状态间存在高能量势垒，使得逆向（Wenzel → Cassie）转换需外界能量输入。
- 表面设计矛盾：提高表面粗糙度可增强疏水性，但会加剧液滴的钉扎效应（pinning effect），阻碍液体自发脱离浸润状态。
- 多尺度协同控制：微观结构与表面化学性质间的耦合机制尚未明确，缺乏普适性设计准则。
创新方法
研究团队通过材料化学修饰与多尺度结构协同设计突破困境：
- 双级粗糙结构：在微米级硅柱（a=19μm, h=100μm）表面引入纳米颗粒涂层（Glaco处理）,形成双级粗糙结构
- 高接触角调控：针对水银（表面张力472 mN/m）和水的不同体系，分别采用 OTS 化学改性与微纳双级粗糙结构处理
- 准静态力学测试：通过控制板材的加载速率（50μm/s）模拟压力加载，结合侧视摄像与高精度力传感器（0.1mN）实时监测状态转换
关键发现
- 首次在汞&单尺度结构和水&双尺度结构体系中观察到 Wenzel→Cassie 自发转换
- 建立表面化学-粗糙度相图：揭示单稳态区域存在的临界条件：
$$
\frac{1-f}{r-f} < -\cos\theta_r
$$
（$f$：粗糙结构的表面覆盖率，$r$：粗糙度因子，$θ_r$：后退接触角） 较大的单稳态区域（绿色区域）为工程应用提供理论指导。 - 揭示自然超疏系统的演化逻辑：荷叶等生物表面的双尺度结构可视为天然的单稳态优化方案。
- 提出普适性设计框架：当纳米级结构提升表观接触角（θr↑），微米级结构调控表面覆盖率（$f$↑）时，可突破材料本征疏水性的限制。
领域贡献
- 理论层面：修正了基于理想表面假设的 Cassie-Wenzel 转换理论，引入后退接触角量化真实材料能量壁垒
- 应用价值：证明双级结构在自然系统中的普适意义，为开发下列新型材料提供指导：
- 压力自修复疏水表面
- 无需外部激励的防冰涂层
- 高稳定性微流体芯片
- 设计范式：建立的相图首次将表面化学 $(θ_r)$ 与微结构参数 $(f, r)$ 解耦，使材料设计实现定量化
该研究发表于 PNAS 114(13):3387-3392 (2017)，为下一代超疏水材料的设计提供了重要理论框架。
该文章被 Europhysics News 高亮报道:
