科学家发现一种拒水纳米结构：防水涂料和抗病毒有突破

涂赢天下讯：通过对蚊子、蝉等昆虫表面的调查，宾夕法尼亚州立大学的研究人员详细描述了一种以前未被识别的纳米结构，可以用来设计更强、更有弹性的防水涂层。这种模仿蚊子复眼独特纳米结构的涂层，甚至还可以改善防病毒面具的性能。

这项研究的结果发表在7月17日的《科学进展》（Science Advances）杂志上。

这种设计增强了对飞沫的排斥能力，可以应用于个人防护设备(PPE)，以更好地抵御病毒颗粒，如COVID-19等。

宾夕法尼亚州立大学(Penn State)材料科学与工程系的博士生Lin Wang表示，过去几十年来，传统设计的防水表面通常是基于植物，比如荷叶。“旧的工程技术模仿植物来制造超疏水或防水表面。它们是用低固体分数的纹理制造的，在一个低密度的微观的毛发状纳米结构之上保持一层极薄的空气：“其原因是，如果液滴或物体漂浮在空气上方，它就不会粘在空气表面，”机械和生物医学工程副教授tako-sing Wong表示。

以往，由于它的有效性，人造涂层倾向于模仿这些纳米结构的低密度。

但是，在最新的研究中，科学家们介绍了一种完全不同的方法。在高分辨率电子显微镜下观察蚊子的眼睛、弹尾虫的身体或蝉的翅膀等表面时，Lin Wang发现这些表面上的纳米级绒毛密度更大(Φs ~ 0.25到0.64)，在工程学中称为高固体分数纹理（high solid fraction textures）。经过进一步的探索，这种与植物结构的显著差异，可能会带来更多的排水与斥水优势。

图1具有高固体分数纳米级表面纹理的拒水昆虫示例。(A)蚊子眼睛、弹尾虫和蝉翅膀的光学和扫描电子显微镜(SEM)图像显示了高固体分数纳米级表面纹理的存在。

他指出，如果在表面上有高密度的这些纳米结构，“在更大的冲击力作用下保持空气层的稳定性是可能的。”而且，这些结构可能会更有利于排斥速度更快的液体，比如雨滴。

虽然这种设计理念对人类来说是全新的，但研究人员认为这种纳米结构增强了昆虫在自然环境中的恢复力：“对于这些昆虫的表面，排斥水滴是一个生死攸关的问题。雨滴的冲击力足以把它们冲到地面并杀死它们……所以，让它们保持干燥非常重要，而我们找到了方法。”

研究人员希望利用从自然中获得的知识，将这一设计原则应用到下一代涂料中。他们希望通过开发一种防水表面，可以承受更快移动、更高强度的冲击水滴，相关的应用潜力非常可观。

从小型的、会飞的机器人交通工具(比如亚马逊希望用来运送包裹的无人机)到商用客机，一种能够模仿这些昆虫表面的涂层将帮助提高设备的效率和安全性。

然而，鉴于COVID-19大流行，研究人员此后认识到这方面的知识可能对人类健康产生更多的影响。“我们希望，当开发出来后，这种涂层可以用于PPE。例如，如果有人在面罩周围打喷嚏，这些高速飞沫就能被更好地排斥，并可能保持表面无菌。”“虽然在项目开始时我们没有想到这一应用，但COVID-19让我们思考如何利用这一设计原则，让更多人受益。作为工程师，我们应该把这些发现用一种有意义的方式加以应用。”研究人员们表示。

这项研究是由美国国家科学基金会、PPG基金会、Covestro等资助的。研究团队希望下一步开发一种大规模的、经济有效的方法，来制造一种涂层并模拟上述的优异特性。