超疏水表面在液滴傳輸、傳感器以及微流控等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。目前，絕大多數(shù)超疏水表面是構(gòu)建于剛性基板，或者變形程度較低的柔性基板之上。但這類超疏水表面存在明顯缺陷，一旦發(fā)生變形，其超疏水性能便難以維持，這一問(wèn)題嚴(yán)重制約了超疏水表面從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程。與此同時(shí)，利用傳統(tǒng)方式制備超疏水表面，所涉及的過(guò)程復(fù)雜且成本更高，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。基于以上現(xiàn)狀，研發(fā)一種簡(jiǎn)便易行且經(jīng)濟(jì)高效的制備工藝，用以生產(chǎn)能承受高度拉伸的超疏水膜，已成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

近日，魯東大學(xué)陳雪葉教授團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)結(jié)合模塑法，設(shè)計(jì)制造了一種具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。該研究采用摩方精密nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印設(shè)備與模塑法結(jié)合制備出具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。該制備方法不僅過(guò)程簡(jiǎn)單，而且成本較低。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功預(yù)測(cè)了PDMS/二甲基硅油薄膜最大拉伸率與PDMS預(yù)聚物A、交聯(lián)劑B、二甲基硅油不同配比的關(guān)系，得到配比為10:1:3.20。所制備的 Pdoshtf 表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能和超疏水穩(wěn)定性，斷裂拉伸率為 300%。該薄膜在拉伸 250% 后，仍能保持優(yōu)異的超疏水性能。此外，落在 Pdoshtf 上的液滴會(huì)及時(shí)反彈，沒(méi)有任何殘留物，顯示出優(yōu)異的超疏水特性。最后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種由 Pdoshtf 和電磁系統(tǒng)組成的能量收集裝置，該裝置可以通過(guò)液滴和反彈來(lái)收集雨滴的能量。

相關(guān)成果以“Fabrication and energy collection of PDMS/ dimethylsilicone oil superhydrophobic high tensile film"為題發(fā)表在國(guó)際高水平期刊《Chemical Engineering Journal》上，魯東大學(xué)2022級(jí)研究生張培華、2024級(jí)研究生江潤(rùn)鵬、2023級(jí)本科生李博源為共同第一作者，陳雪葉教授為通訊作者。

（1）通過(guò)3D打印模板法，結(jié)合硅烷化處理與二氧化硅納米顆粒涂層技術(shù)，制備PDMS/二甲基硅油超疏水高拉伸薄膜（圖1）。

（2）通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化PDMS/硅油配比，預(yù)測(cè)薄膜最大拉伸率。輸入層為預(yù)聚物、交聯(lián)劑、硅油比例，輸出層為拉伸率?；?90組正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（140組訓(xùn)練、50組測(cè)試），模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù) R2 達(dá)0.99，驗(yàn)證了機(jī)器學(xué)習(xí)在材料設(shè)計(jì)中的可靠性。最終確定配比為10:1:3.20，拉伸率較普通PDMS提升275%。研究還發(fā)現(xiàn)，硅油含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)松散，機(jī)械強(qiáng)度下降，凸顯了配比平衡的重要性（圖2）。

（3）為了進(jìn)一步研究影響拉伸性能與超疏水穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)。研究團(tuán)隊(duì)探究了微結(jié)構(gòu)參數(shù)（直徑、高度、間隙）及拉伸應(yīng)變對(duì)疏水性能的影響。當(dāng)圓柱直徑600 μm、間隙700 μm時(shí)，接觸角最大（153°），滾動(dòng)角（8°）。拉伸測(cè)試顯示，薄膜斷裂拉伸率達(dá)300%，遠(yuǎn)超普通PDMS（80%）。在250%應(yīng)變下，接觸角仍保持>150°，歸因于微納結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)能力。循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)（300次，100%應(yīng)變）后接觸角無(wú)顯著下降，證明其耐久性（圖3）。

圖3. Pdoshtf 拉伸性能測(cè)試 a) 隨著微米級(jí)圓柱形結(jié)構(gòu)直徑的增加，Pdoshtf 的接觸角和滾動(dòng)角發(fā)生變化; b) 高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水膜的接觸角和滾動(dòng)角隨微米級(jí)圓柱形結(jié)構(gòu)高度的增加而變化; c) Pdoshtf 的接觸角和滾動(dòng)角隨微米級(jí)圓柱形結(jié)構(gòu)間隙的增加而變化 d) 液滴落在高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜上的光學(xué)照片，干燥液滴后，液滴呈球形; e) 落在應(yīng)變范圍為 0% 至 200% 的 Pdoshtf 上的液滴的光學(xué)圖像; f) Pdoshtf 和普通 PDMS 薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線; g) 不同拉伸循環(huán)下 Pdoshtf 接觸角的變化; h) 不同應(yīng)變條件下Pdoshtf接觸角的變化。

（4）通過(guò)高速攝像（10,000 fps）和COMSOL模擬，對(duì)比Pdoshf與普通薄膜的液滴動(dòng)力學(xué)行為。直徑2 mm的液滴從1 cm高度跌落，Pdoshf表面液滴5.2 ms內(nèi)反彈，而普通薄膜因黏附力滯留。韋伯?dāng)?shù)分析顯示，液滴動(dòng)能越大，最大鋪展直徑增加，反彈時(shí)間縮短。數(shù)值模擬結(jié)合Navier-Stokes方程與固體力學(xué)模型，驗(yàn)證了薄膜壓縮位移與液滴動(dòng)能的線性關(guān)系，為能量收集裝置設(shè)計(jì)提供參數(shù)優(yōu)化依據(jù)（圖4）。

圖4. 液滴實(shí)驗(yàn)和模擬 a) 液滴滴落在 Pdoshtf 和 PDMS/二甲基硅油膜上的過(guò)程; b) 不同韋伯?dāng)?shù)下液滴的最大擴(kuò)散半徑和與表面分離的時(shí)間; c) 落在普通 PDMS 表面的液滴示意圖; d) 液滴落在普通 PDMS 表面的模擬結(jié)果; e） 不同半徑的液滴以不同的高度釋放到普通 PDMS 的表面。

（5）通過(guò)Pdoshf設(shè)計(jì)了雨滴能量收集裝置。當(dāng)雨滴沖擊薄膜時(shí)，壓縮形變驅(qū)動(dòng)下方線圈切割磁感線（磁場(chǎng)強(qiáng)度0.5 T），單次液滴（直徑2 mm，高度1 cm）可產(chǎn)生雙峰電流（峰值0.5 μA）。實(shí)驗(yàn)表明，液滴質(zhì)量、高度與電流強(qiáng)度正相關(guān)（如質(zhì)量增加50%，電流提升120%）。裝置采用玻璃罩保護(hù)、銅線圈（匝數(shù)200）和電位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在模擬降雨環(huán)境（20滴/分鐘）下可持續(xù)輸出電能。該設(shè)計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了自供能解決方案，拓展了超疏水材料的應(yīng)用場(chǎng)景（圖5）。

圖5. Pdoshtf 磁電發(fā)電機(jī)和產(chǎn)生的電流的示意圖; a) Pdoshtf 磁電發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)示意圖; b) Pdoshtf 磁場(chǎng)切割發(fā)電示意圖 c) Pdoshtf 物理裝置的 3D 圖紙和 2D 圖紙; d) 在液滴下落所需的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電流的情況; e) 不同高度、速度、質(zhì)量和體積的液滴落在Pdoshtf上以產(chǎn)生電流條件。

總結(jié)：

本文提出一種3D打印模板法制備高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的到PDMS預(yù)聚物A、交聯(lián)劑B、二甲基硅油的配比為10:1:3.20。通過(guò)此方法制備的薄膜具有優(yōu)異的拉伸性能和超疏水性能。此外，將高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜與磁鐵結(jié)合設(shè)計(jì)了一種能量收集裝置，在雨水發(fā)電領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。