由哈佛大學John A. Paulson工程與(yu) 應用科學學院（SEAS）、哈佛大學維斯生物工程研究所、埃爾朗根-紐倫(lun) 堡大學和芬蘭(lan) 阿爾托大學領導的研究小組開發了一種具有穩定腹甲的超疏水表麵，可以在水下持續數月。
該團隊的總體(ti) 策略是創建持久的水下超疏水表麵，這種表麵可以排斥血液，並大大減少或防止細菌和海洋生物（如藤壺和貽貝）的粘附，從(cong) 而在生物醫學和工業(ye) 領域開辟了一係列應用。
用仿生材料開發表麵
有一種蜘蛛，被稱為(wei) “Argyroneta Aquatica”，一生都生活在水下。它有數百萬(wan) 根粗糙、防水的毛發，可以將空氣困在身體(ti) 周圍，形成氧氣儲(chu) 存庫，並充當蜘蛛肺部和水之間的屏障。這層薄薄的空氣被稱為(wei) 腹甲，幾十年來，材料科學家一直試圖利用它的保護作用。
這樣做可以產(chan) 生水下超疏水表麵，能夠防止腐蝕、細菌生長、海洋生物的粘附、化學汙垢和液體(ti) 對表麵的其他有害影響。但事實證明，腹甲在水下非常不穩定，在實驗室中隻能保持表麵幹燥幾個(ge) 小時。
“仿生材料的研究是一個(ge) 非常令人興(xing) 奮的領域，它將自然界中進化的優(you) 雅解決(jue) 方案帶入人造材料領域，這使我們(men) 能夠推出具有前所未見特性的新材料。 ” SEAS材料科學和化學與(yu) 化學生物學教授，也是該論文的合著者Joanna Aizenberg表示。
“這項研究證明了這些原理如何能夠開發出在水下保持超疏水性的表麵，”Aizenberg補充道。
腹甲最大的問題之一是它們(men) 需要粗糙的表麵才能形成，就像銀鮫的毛發一樣。但這種粗糙度使得表麵機械不穩定，並且容易受到溫度、壓力或微小缺陷的任何小擾動。
親(qin) 氧表麵
目前評估人造超疏水表麵的技術僅(jin) 考慮兩(liang) 個(ge) 參數，這不能提供有關(guan) 水下空氣腹板穩定性的足夠信息。研究小組確定了更大的一組參數，包括表麵粗糙度、表麵分子的疏水性、腹甲覆蓋率和接觸角的信息，這些參數與(yu) 熱力學理論相結合，使他們(men) 能夠確定空氣腹甲是否穩定。
通過這種新方法和簡單的製造技術，該團隊用一種常用且廉價(jia) 的鈦合金設計了一種所謂的親(qin) 氧表麵，該表麵具有持久的腹甲，使表麵保持幹燥的時間比之前的實驗長數千小時，甚至比活體(ti) 物種的腹甲還要長。
“我們(men) 使用了一種20年前理論家提出的表征方法來證明我們(men) 的表麵是穩定的，這意味著我們(men) 不僅(jin) 製造出了一種新型的極其排斥、極其耐用的超疏水表麵，而且我們(men) 還可以用不同的材料再次做到這一點。”SEAS和Wyss研究所的前博士後研究員、該論文的主要作者Tesler說。
適合的應用
為(wei) 了證明腹甲的穩定性，研究人員將其表麵穿過環，彎曲它，扭曲它，用熱水和冷水噴射它，並用沙子和鋼打磨它以阻止表麵保持親(qin) 氧性。它在水中存活了208天，並在充滿血液的培養(yang) 皿中浸泡了數百次。它嚴(yan) 重減少了大腸杆菌和藤壺在其表麵的生長，並完全阻止了貽貝的粘附。
“該係統的穩定性、簡單性和可擴展性使其對於(yu) 實際應用很有價(jia) 值，”SEAS研究生、該論文的合著者Stefan Kolle說道。“通過此處所示的表征方法，我們(men) 演示了一個(ge) 簡單的工具包，可以優(you) 化超疏水表麵以達到穩定性，從(cong) 而極大地改變應用空間。
應用領域包括生物醫學應用，可用於(yu) 減少手術後感染或用作支架等可生物降解的植入物。它還包括水下應用，可以防止管道和傳(chuan) 感器腐蝕。
未來，它甚至可以與(yu) 被稱為(wei) SLIPS的超光滑塗層結合使用，SLIPS是 Aizenberg和她的團隊十多年前開發的光滑液體(ti) 注入多孔表麵，以進一步保護表麵免受汙染。
文章來源：哈佛大學
責任編輯：雷達
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