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衣物免洗終能實現?
港大科學家發明研發出理想化的防水防油物料

2017年11月14日

 

最理想的防水防油(疏液)物料，應該是無論任何不同體積的液體，均會被物料彈走，不著粘黏。防液物料重要的用途包括防水衣物、防污廚具、以至大型船隻(以減低水阻、提升速度、節省燃料)。從事這方面的科研人員，總想開發出既具有良好防水防油(疏液)功能、耐用程度高，又能大面積製備、成本低廉的物料。然而，目前的防水防油物料，並未能齊備上列四大理想，原因是現有工程學上微結構的設計和物料編織製造方式尚有不足之處。

香港大學工程學院機械工程系王立秋教授帶領的研究團隊，最近通過新的結構設計和編造方法，製造出「互連疏液結構」的防水防油物料，並以創新的「液滴微流控」方法編造出「多孔疏液表面」，只要將此特製物料覆蓋於其他物料如紡織品、金屬、玻璃等上面，便可達到防水防油的效果，從此克服過去一直未能解決的難題; 相關文章已於《自然通訊》(Nature Communications)發表 (Zhu P. A., Kong T. T., Tang X. and Wang L. Q. 2017. Well-defined porous membranes for robust omniphobic surfaces via microfluidic emulsion templating, Nature Communications 8, 15823)。日後，穿著經這項技術處理的衣服將無懼被雨水甚至油質淋濕。

研究團隊今次創新的意念，靈感來自小小的跳蟲。跳蟲是棲息於土壤中的節肢動物，經常會遇到雨水沖洗或者淹浸。這些節肢動物續漸進化出具有強韌的角質表皮以抵抗泥土摩擦，同時具有良好的排水能力以繼續存活。團隊模仿跳蟲表皮結構的設計，有效地解決了防水能力和強韌度之間、傳統上是魚與熊掌不可兼得的矛盾。表皮的強韌度取決於互相連接的結構，良好的防水能力則基於凹角結構。受跳蟲表皮啟發，研究團隊設計出具有互連凹角特點的多孔表面：互相連接提高強韌度也具高防水能力。

圖 1 跳蟲實物圖（體長約2.5毫米）。
圖片由Brian Valentine慷慨提供，
網址：https://www.flickr.com/photos/lordv/302831402/in/album-72157594371411831/。
*傳媒如採用此照片，請註明「照片來源: Brian Valentine」。

圖 2 模仿跳蟲表皮結構設計的疏液表面。
（a）疏液表面的結構示意圖。（b）疏液結構的掃面電鏡圖。
（c）水滴被疏液多孔表面排斥的實物圖。（d）疏液表面排斥10種液體，其接觸角數值均大於90˚。

「互連疏液結構」令強韌度大大提高21倍
實驗證明，此具有「互連疏液結構」的物料可排斥水、油、表面活性劑溶液（如洗潔精）和有機溶劑等最少10種液體（圖2d）。相較於單獨的結構，「互連疏液結構」的強韌度提高了21倍以上（圖3）。此外，在已經潤濕的情況下，此結構仍能恢復其疏液性。同時，由於具有柔韌性，此多孔表面還能覆蓋在多種物體上排水和排走各類液體。

圖 3 高韌度的疏液表面
(a) 結構完整的多孔表面（互連結構）; (b) 結構完整的微球表面（獨立結構）;
(c-d)多孔表面的互連結構在(c)8.6千帕的摩擦壓力下開始被破壞，並在(d)11.5千帕下被大面積破壞;
(e-f) 微球表面的獨立結構在(e)0.4千帕的摩擦壓力下開始被破壞，並在(f) 2.9千帕下被大面積破壞。

「多孔疏液表面」材料成本每平方米僅約港幣1元
同時，研究團隊提出一種創新的「液滴微流控」方法，透過控制微粒液體，製造出「多孔疏液表面」。其外表就好像烘培曲奇餅乾模具的形狀，然而「液滴微流控」模具卻是以精準方法，控制每顆微粒液體的尺寸、結構和化學成分; 換言之，可以製造出大面積而每顆液體結構均一的物料。此方法製造成本低，其材料成本每平方米只需港幣7角至1元3角，僅為市場上現有的「聚四氟乙烯疏水過濾膜」價格的千分之一。因此，通過控制微流粒液體，這項技術能夠精確有效地加工微結構，同時具備成本低廉和大面積製造的雙重優點。

圖 4      微流控方法製備多孔表面
(a)  微流控方法的製備過程，包括乳液沉積、溶劑揮發和去除樣板;
(b)  微液滴在乳液沉積後組裝;
(c)  溶劑揮發後獲得乾燥的固體薄膜;  
(d) 去除樣板液滴後得到的多孔表面;
(e-f) 具有不同結構尺寸的多孔表面;
(g) 多孔疏液表面的透明性;
(h)  微流控法製備的釐米尺寸大小的多孔表面。

這一突破將改變編造高效能防水防油物料微結構，同時又具有強韌穩定度和低廉商業生產成本等多項優點，更為未來進一步透過設計，按實際需要製造出不同形狀、不同防水或排水能力、不同強韌度的物料，應用於不同領域，包括能源、建築、車輛、化學工程、電子、環境、生物醫學、製造業、船舶和軍事設施等。

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機械工程系王立秋教授（電話：3917 7908；電郵：lqwang@hku.hk）
機械工程系朱平安博士（電話：9340 8946；電郵：u3002025@connect.hku.hk）
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