江雷院士、董智超研究員《自然·通訊》：新型仿生超疏水織物技術(shù)問世，一步法打造耐極端環(huán)境的“鎧甲”面料

在戶外運動、工業(yè)防護及醫(yī)療等領域，具備持久拒水性能的紡織品需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)超疏水涂層通常依賴含氟化合物（PFAS）或納米顆粒組裝，這些涂層不僅因附著力弱而難以承受日常磨損，還面臨環(huán)境與健康風險——PFAS因其持久性和潛在毒性正面臨全球性限用。此外，現(xiàn)有涂層常堵塞織物孔隙，影響透氣性和手感，限制了其在輕量化、耐用型服裝中的應用。受自然啟發(fā)，彈尾蟲（springtail）的皮膚通過獨特的蘑菇狀微結(jié)構(gòu)與納米脊狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無氟超疏水并能在濕潤、磨損環(huán)境中生存，為開發(fā)新型耐久涂層提供了靈感，但如何將其柔性、透氣地應用于紡織品仍是一大挑戰(zhàn)。

針對上述難題，中國科學院理化技術(shù)研究所江雷院士團隊董智超研究員、郝德昭博士和中國科學院化學研究所吳磊副研究員合作，開發(fā)出一種名為“分子組裝穩(wěn)健超疏水殼層”（MARS）的一步法技術(shù)。該技術(shù)通過在纖維表面直接構(gòu)建共價鍵合的、有序且無氟的二氧化硅殼層，無需使用離散納米顆粒或含氟化學物質(zhì)，即可賦予天然與合成纖維持久的超疏水性能。MARS處理在纖維階段完成，不僅保持了最終織物的透氣性、柔韌性與機械強度，還實現(xiàn)了可規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，為下一代可持續(xù)高性能拒水面料提供了全新方案。相關論文以“One-step fabrication of superhydrophobic fabrics with stable mechanical performance in harsh conditions”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

研究團隊從彈尾蟲的仿生結(jié)構(gòu)出發(fā)，設計出MARS的制備流程。他們將加捻紗線以每秒0.25米的速度通過含有四氯化硅（TCS）和十八烷基三氯硅烷（OTS）的石油醚溶液。TCS因空間位阻小，優(yōu)先與天然纖維表面的羥基發(fā)生水解縮合，形成共價鍵合的二氧化硅網(wǎng)絡骨架；隨后OTS在新生成的二氧化硅表面錨定長鏈烷基，形成低表面能外層。這一連續(xù)反應在纖維上構(gòu)建了由蘑菇狀聚集體（直徑130-170納米）和致密二氧化硅殼層（特征尺寸20-50納米）組成的分級結(jié)構(gòu)（圖1d）。單根棉纖維上，20皮升的水滴接觸角高達160.0°（圖1e），而羊毛、滌綸和尼龍纖維同樣表現(xiàn)出超疏水性。環(huán)境掃描電鏡觀察顯示，在3.7℃、100%相對濕度下，凝結(jié)的微滴生長至約2微米便會滾落（圖1f）。MARS處理后的紗線可進一步編織成機織（接觸角154.7°）或針織（接觸角156.1°）面料（圖1g、h），甚至可在未經(jīng)處理的織物上繡出超疏水圖案（圖1i），且處理前后織物顏色變化極小，表明薄層殼層能保持原色并抵御后續(xù)加工中的機械應力。

圖1 | 仿生靈感與MARS改性過程 a. 彈尾蟲在潮濕環(huán)境中生存，并利用超疏水皮膚在水面跳躍。 b. 彈尾蟲表皮掃描電鏡圖像，展示了分級納米脊狀結(jié)構(gòu)與蘑菇狀結(jié)構(gòu)。示意圖展示了蘑菇狀結(jié)構(gòu)如何防止水粘附并維持空氣層。 c. MARS工藝在加捻紗線上構(gòu)建分子組裝穩(wěn)健超疏水殼層的示意圖。 d. 處理后紗線的掃描電鏡圖像，展示了具有蘑菇狀聚集體的分級二氧化硅殼層結(jié)構(gòu)。 e. MARS改性紗線上的水滴保持約160°的接觸角。 f. MARS改性紗線上的水凝結(jié)微滴在直徑達到2微米時從表面滑落。 g. MARS改性纖維被織造成超疏水紡織品，水滴接觸角為154.7°。 h. MARS改性纖維被針織成超疏水紡織品，保持156.1°的高表觀接觸角。微型CT成像展示了織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及水滴在表面的行為，清晰呈現(xiàn)了材料的超疏水特性。 i. 使用MARS處理紗線在白手帕上進行刺繡的過程。刺繡機將紗線縫入織物，盡管針與紗線之間存在摩擦，紗線的超疏水性依然保持完好。 （圖i攝影來源：劉卓星，中國科學院）

在拒水性能評估中，MARS改性織物展現(xiàn)出卓越表現(xiàn)。經(jīng)AATCC 22噴淋測試，MARS面料可承受超過25升水的連續(xù)噴淋，仍保持100分的最高評級（圖2b），遠超250毫升的標準閾值。毫米級水滴以韋伯數(shù)約5.4撞擊時，可在表面彈跳多達六次（圖2c）。在模擬暴雨測試中，MARS面料單點承受了超過10?次雨滴沖擊（圖2d），并在高達11.6米/秒的高速水射流（相當于百米沖刺時的雨滴速度）下依然有效拒水（圖2e）。在動能遠超自然降雨的Bundesmann淋雨測試中，MARS改性帆布僅吸收1.7%的水量，幾乎無滲透，而傳統(tǒng)含氟涂層對照樣則出現(xiàn)明顯潤濕（圖2f）。經(jīng)過五次標準機洗，MARS面料仍保持AATCC 100的評分，二十次洗滌后仍可達95分。

圖2 | MARS改性織物的超疏水性能 a. MARS改性白色T恤、黑色緊身褲與白色鞋面的超疏水性能展示。 b. 拒水性噴淋測試（AATCC 22）顯示，MARS改性織物在經(jīng)過100次噴淋后仍保持超疏水狀態(tài)。 c. 動態(tài)沖擊測試展示了冷（25℃）水滴的彈跳行為。 d. 雨滴沖擊模擬裝置展示了單點沖擊閾值，證實了10?次沖擊的耐久性。 e. 旋轉(zhuǎn)裝置模擬高速雨滴沖擊（11.6米/秒），證實了在惡劣條件下的耐久性。 f. Bundesmann淋雨測試結(jié)果證實了低吸水率與抗?jié)B透性。 （圖a攝影來源：劉卓星，中國科學院）

MARS技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其卓越的機械耐久性。在Martindale磨耗測試中，MARS面料經(jīng)8萬次循環(huán)（9千帕壓力）后，接觸角仍大于150°（圖3a）。在更為嚴苛的Taber磨耗測試中，經(jīng)2萬次循環(huán)后，接觸角僅下降約8.8°，掃描電鏡圖像顯示納米結(jié)構(gòu)殼層依然完整。與硅納米絲、納米顆粒等傳統(tǒng)涂層相比，MARS的共價鍵合殼層使磨損深度降低46.2%（圖3b）。在落砂測試中，MARS面料承受了320公斤石英砂的沖擊后仍保持超疏水（圖3c）。同時，MARS處理幾乎不改變織物的手感——彎曲剛度與表面粗糙度等觸覺指標與未處理面料無顯著差異（圖3d）。在實際應用模擬中，MARS處理T恤在背包肩帶摩擦下經(jīng)受60萬次循環(huán)仍保持超疏水（圖3f），針織面料經(jīng)2萬次拉伸循環(huán)后性能穩(wěn)定（圖3g），鞋面經(jīng)8000次刷洗后接觸角變化極小（圖3h），而經(jīng)過500次膠帶剝離測試后，接觸角仍保持在155°左右（圖3i）。在模擬行走1.5萬步的摩擦測試中，MARS改性襪子接觸角僅下降約1.7°，而傳統(tǒng)含氟涂層對照樣則出現(xiàn)明顯涂層剝落且接觸角降至約139.7°（圖3j、k）。經(jīng)過360天戶外暴露（溫度-16.8至41.2℃，濕度9%至100%），MARS改性T恤仍保持超疏水，且顏色褪色僅約15%，遠低于未處理對照樣的約45%。

圖3 | MARS處理織物在機械應力下的耐久性 a、b. 使用Martindale（a）和Taber（b）磨耗方法進行反復磨耗循環(huán)后的接觸角變化。 c. 砂磨循環(huán)中處理織物的接觸角變化。 d. 未處理、MARS處理與Capstone-FS處理織物的織物觸感測試儀主要感官指標對比雷達圖。 e. 跑步對T恤造成的磨損。 f. 在背包網(wǎng)面壓力下，處理T恤的肩帶摩擦磨損測試，循環(huán)次數(shù)達60萬次。 g. 針織織物在拉伸-釋放循環(huán)中的接觸角變化。 h. 耐擦洗測試中的接觸角變化。 i. 膠帶剝離循環(huán)中的接觸角與剝離力變化。 j. 跑步機上連續(xù)行走摩擦磨損測試，步數(shù)達15,000步，壓力為51.3千帕。 k. 行走15,000步后Capstone-FS與MARS改性織物接觸角差異的變化。 （圖c攝影來源：劉卓星，中國科學院）

MARS面料在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性同樣令人矚目。當85℃熱水滴以韋伯數(shù)約15撞擊時，仍能干凈彈跳（圖4a）。面對85℃連續(xù)熱水噴射（圖4b）以及100℃、9巴壓力的熱咖啡噴射（圖4c），MARS面料均表現(xiàn)出持續(xù)拒水能力。在極端冷熱交替測試中，面料經(jīng)95℃沸水、-196℃液氮、再至沸水循環(huán)處理后，超疏水性依然保持（圖4d）。更值得一提的是，在160℃高溫蒸汽暴露后，MARS面料能立即排斥水滴，而含氟硅烷處理的對照樣則被蒸汽潤濕（圖4e、f）。低場核磁共振顯示，蒸汽暴露后含氟處理樣仍存在自由水信號，而MARS面料僅表現(xiàn)為半自由水的微弱信號，證明其共價網(wǎng)絡有效阻隔了蒸汽冷凝。此外，MARS面料在水下能維持穩(wěn)定的空氣層（plastron），即使在2.0米/秒的水流中仍可見強烈光反射（圖4h），與未處理面料相比，在水流速度為0.5米/秒時實現(xiàn)約40%的減阻效果（圖4i）。細胞毒性測試表明，MARS涂層與未處理面料在細胞活性和增殖方面無顯著差異，而含PFOS的含氟處理樣則表現(xiàn)出明顯的細胞毒性。

圖4 | 環(huán)境與熱應力條件下的超疏水性能 a. 熱水滴可彈跳多達三次。 b. MARS改性織物對熱水射流的抵抗能力。 c. MARS改性織物能排斥熱咖啡（100℃，9巴壓力，150毫升），證實了持續(xù)的拒水性能。 d. 在液氮（-196℃）與熱水（95℃）交替極端溫度循環(huán)下的耐久性，未出現(xiàn)拒水性損失。 e. 高溫蒸汽熨燙（160℃）實驗裝置。 f. MARS改性織物能耐受高溫蒸汽（160℃），并在蒸汽熨燙后立即排斥水滴。 g. MARS改性緊身褲在織物-水界面的空氣層穩(wěn)定性。 h. 在水流速度為2.0米/秒的條件下，通過光反射確認了被捕獲的空氣層。 i. MARS改性織物的減阻效果。 （圖e、f攝影來源：劉卓星，中國科學院）

MARS技術(shù)通過一步法在纖維表面構(gòu)建了共價鍵合的核殼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無氟、高耐久、多基材適用的超疏水織物。該方法不僅解決了傳統(tǒng)超疏水涂層在機械磨損、熱液沖擊與蒸汽環(huán)境下的失效難題，還兼顧了織物的透氣性、手感與色彩保持，且原材料成本低廉、可溶劑回收，具備工業(yè)化潛力。該技術(shù)為戶外、防護、醫(yī)療及工業(yè)應用提供了兼顧性能與可持續(xù)性的新路徑，也為未來電子織物、顯示紡織品與可穿戴健康監(jiān)測設備的發(fā)展奠定了基礎。