På vätskeavvisande ytor, vätskedroppar studsar iväg istället för att sitta fast. Dessa ytor är viktiga inom många områden, som vattenavvisande kläder och antifouling köksutrustning. Används som motståndsreducerande beläggningar för vattenfordon, dessa ytor kan till och med hjälpa till att påskynda lastfartyg och militär utrustning för att spara energi. Drömmen om forskning och utveckling av vätskeavvisande medel är en struktur som har robust vätskeavstötning, stark mekanisk stabilitet, och är billig att producera i kommersiell skala. Dock, de funktionella resultaten av befintliga vätskeavvisande ytor har inte varit tillfredsställande, på grund av otillräckligheter hos konventionella strukturella konstruktions- och tillverkningsmetoder vid tekniska mikrostrukturer och egenskaper hos sådana ytor.

Utmaningen övervanns nyligen av banbrytande forskning ledd av professor Wang Liqiu vid institutionen för maskinteknik, Ingengörsfacilitet, University of Hong Kong (HKU) genom utveckling av en robust vätskeavvisande struktur och tillverkning av porösa ytor genom en innovativ mikrofluid-droppbaserad teknik. Material som textilier, metaller, och glas som täcks av ett lager av denna robusta porösa yta kan då bli vätskeavvisande. Uppsatsen publicerades nyligen i en akademisk tidskrift Naturkommunikation (Zhu P.A., Kong T.T., Tang X. och Wang L. Q. 2017. Väldefinierade porösa membran för robusta omnifoba ytor via mikrofluidisk emulsionsmall, Naturkommunikation 8, 15823). Med den nya tekniken som utvecklats av teamet, kläder skulle aldrig bli blöta på regniga dagar i framtiden.

Teamet löser effektivt konflikten mellan vätskeavstötande och mekanisk stabilitet genom den springsvans-nagelbandsinspirerade designen av vätskeavvisande strukturer. Springtails är jordlevande leddjur vars livsmiljöer ofta upplever regn och översvämningar. Som en konsekvens, Springtails utvecklar sina nagelband med stark mekanisk hållbarhet och robust vätskeavstötning för att motstå friktion från jordpartiklar och för att överleva i vattenhaltiga miljöer, respektive. Inspirerad av springtail nagelband, forskargruppen designade porösa ytor bestående av sammankopplade bikakeliknande mikrohåligheter med en återinträdande profil:sammankoppling säkerställer mekanisk stabilitet och återinträdande struktur ger robust vätskeavstötning.

Robust vätskeavvisande struktur visar en 21-faldig förbättring av mekanisk stabilitet

De robusta vätskeavvisande ytorna stöter bort minst 10 typer av vätska, inklusive vatten, ytaktiva lösningar, oljor, och organiska lösningsmedel och visar en häpnadsväckande över 21-faldig förbättring av mekanisk stabilitet jämfört med diskreta strukturer. De porösa ytorna kan även återställa sitt icke-vätande tillstånd även om mikrohåligheter delvis vätas av vatten. De flexibla ytorna kan också lätt beläggas på olika föremål för vätskeavstötning.

Poröst ytmaterial kostar bara cirka 1 HKD per kvadratmeter

Forskargruppen utvecklade också en innovativ mikrofluidisk-droppbaserad teknik för tillverkning av porösa ytor som är mycket lik formade kakor gjorda av bakformar. Här är formarna enhetliga mikronstora droppar som produceras med mikrofluidikteknologi med exakt kontroll över deras storlek, strukturera, och sammansättning. Gjuten av mikrofluidiska droppar, enhetliga mikrostrukturer i kommersiell skala produceras till låg kostnad. Materialkostnaden ligger inom intervallet 0,7 till 1,3 HKD per kvadratmeter, endast en tusendel av det vid inköp av kommersialiserade produkter som vattenavvisande PTFE-film. Denna teknik har hög noggrannhet och effektivitet vid tekniska ytstrukturer, säkerställs av precisionen och kontrollerbarheten för generering av mikrofluiddroppar som är låg i kostnad och lätt att skala upp också.

Genombrottet kommer att förändra hur vätskeavvisande ytor tillverkas för robust vätskeavvisande, stark mekanisk stabilitet, och ekonomisk produktion i kommersiell skala. Det har också banat väg för ytterligare framsteg när det gäller att skapa ytstrukturer genom design, och i att skräddarsy deras morfologi, avstötningsförmåga och mekanisk stabilitet för att passa en önskad applikation inom olika områden, inklusive energi, byggnader, bilar, kemiteknik, elektronik, miljöer, biomedicinsk industri, avancerad tillverkning, vattenfordon och militär utrustning.