城大研製出疏水性能最佳的材料

香港城市大學（城大）機械及生物醫學工程學系副教授兼仿生工程實驗室主任王鑽開博士及其研究團隊研製出疏水性能最佳的材料表面，可用於製造防積冰材料，並具有自潔淨、抗菌、防腐蝕等多種功能。

 

該研究團隊研發的這種超疏水表面，由表面覆蓋有納米結構的亞毫米尺度微柱陣列組成，能夠快速排除水滴，遠勝過目前任何一種人造材料。       

這項研究成果的報告題為「超疏水表面上液滴的薄餅狀彈跳」，最近發表於國際知名的《自然：物理》期刊（Nature Physics）；該期刊在學術界享有盛譽，由自然出版集團發行。

 

此前學術界普遍認為，液滴撞擊固體表面後經歷兩個階段：鋪展和收縮。在鋪展階段，液滴攤開而呈薄餅狀；而在收縮階段，液滴將其表面能量減至最小，而向內收縮。

 

在超疏水表面上，因為液滴底下的粗糙表面內有「空氣墊」，液滴在收縮階段末尾可彈起而脫離這個表面。但是液滴撞擊固體表面後需要多久才能彈起，理論上有一定的接觸時限。

 

「我們首次證明，我們能夠令液滴在攤開呈薄餅狀的階段末尾即直接從表面彈起，而無須經歷收縮階段。我們把這種情況稱為『薄餅狀彈起』，其結果是突破了常規的接觸時限，液滴脫離表面的速度可比原來高出四倍，」王博士說。

 

其中的奧秘在於表面的結構。為了防止水滴滲入表面，研究思路向來著眼於使用間隙極小的微米/納米尺度的微柱。研究發現，微柱的間隙越細小，表面可承受的液滴撞擊速度就越高。

 

「我們的做法與他人不同。我們特意設計的表面由錐形的亞毫米尺度的微柱陣列構成，柱間的空隙較大，既容許液體充分滲透，又不致喪失『空氣墊』。因此，已儲存的表面張力能量可以快速再度轉化成動能，令液滴迅速脫離表面。這與通常的直覺認識正好相反，」劉亞華說。他是這篇研究論文的第一作者，現為城大機械及生物醫學工程學系博士研究生，王博士為其導師。

 

另外，常規的超疏水表面有機械性能不穩定的問題，而新型的表面結構可自然免除此弊。

 

這種新型表面具有廣泛的用途，例如可防止飛機機翼及引擎等部件的金屬表面積冰。

 

飛機的機翼與引擎表面的積冰會引發事故。2009年，法國航空公司447號航班飛機失事墜入大西洋，可能就是表面積冰所致。此外，防積冰材料在製造空調系統時也很有用。

 

「空調系統的蒸發器表面結霜或結冰之後，會形成大量的熱阻，並增大整個熱交換器的壓降，削弱空調系統的整體效能，造成大量不應有的能源損耗，」劉亞華說。

 

《自然：物理》期刊的News & Views欄目對這項研究亦作了專題報道。英國牛津大學Julia Yeomans教授及Lisa Moevius、香港科技大學錢鐵錚教授及徐新鵬博士亦參與撰寫研究論文。

這項研究獲得香港研究資助局優配研究金、國家自然科學基金委員會的資助。