来源：高分子科学前沿
水生植物奇妙的漂浮性质一直是启发科研工作者创新思考的灵感来源。相关研究团队分别于2017年和2022年提出了荷叶（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701466）以及大薸（Mater. Horiz. 2022, 9, 1888）稳定漂浮能力的协同浸润性解释，为仿生漂浮载体的设计与构建提供了思路。此类漂浮载体有望在界面日光蒸发、微探测器和多相催化等多个领域发展提供有价值的载体材料。然而，目前同时兼具开放表面和漂浮能力的材料仍然面临着诸多挑战，包括抗淹没性、方向调节能力以及多功能集成性。
图1：SCO的设计理念。（a，b）仿材料的设计受到了水黾和潜水钟蜘蛛的启发。（c）相比于普通超疏水薄板，SCO不仅能够在水面上具有更强的浮力，即使浸没在水中，也可以漂浮回水面。（d）SCO和普通超疏水薄板的光学图像对比。比例尺为5毫米。（e） SCO和其他材料（包括泡沫、气凝胶、超疏水薄板和SCO）的漂浮性能比较。
SCO卓越的漂浮能力可归因于其仿生超疏水表面和独特的折叠气室结构。将这两种特性相结合，就能实现水面大质量承重以及沉入水中的再次浮回水面的能力。其中超疏水折叠气室占据了主要作用，在SCO漂浮在水面上时，气室能够帮助SCO排出更多水。而当SCO沉入水中时，由于超疏水表面的限制，能够有效阻止气室内部的气体溢出，从而在浸没到水中之后也能保持足够的浮力使SCO浮回水面。相较之下，超疏水薄片在水面上承重是回出现一个水坑，排出的水能够保持浮力，然而，当材料沉入水中之后，只有超疏水表面形成的一层薄薄气膜能够提供浮力，难以使材料继续浮回水面。
图4：SCO出色的浮水能力。（a）SCO能够在完全沉入水中之后迅速浮回水面，而超疏水平板在沉入水底之后不会上浮。（b）不同顶角SCO在水平沉入水底后的上浮速度。（c）COMSOL模拟SCO在上浮过程中所经历的翻转（d）不同顶角SCO在垂直沉入水中后的上浮速度。（e）即使采用金属作为基底，SCO仍然能够在沉入水底之后浮回水面。
SCO优秀的漂浮性能不仅限于水面优秀的抗沉性能，更重要的在于，即使沉入水底，由于气室的存在，也能使SCO保持浮力，迅速浮回水面。更重要的是，这种设计不受基底材料所限制，只要保持折叠结构和超疏水表面，即使采用金属作为SCO的基底，也能够实现在下沉之后迅速浮回水面。此外，作者采用COMSOL有限元模拟分析了SCO在上浮过程中所经历的受力情况以及运动轨迹，解释了SCO在上浮过程中发生翻转的原因。
图5：向SCO中引入不对称Janus结构。（a）不对称Janus SCO的结构和浸润性示意图。（b）不对称Janus SCO的水中自我调整能力。（c）不对称Janus SCO能够发生翻转的机理。（d）COMSOL模拟。（e）将大量不对称Janus SCO反向沉入水中，结果全部发生了翻转。
为了应对更加复杂的应用情况，作者将SCO的结构中引入了不平衡的Janus结构。借助独立化的气室带来的优势，精准控制每个独立气室的浸润性，从而造成水中浮力和重力的不对称，实现SCO的定向翻转。无论是疏水面还是亲水面朝下沉入水中，材料均能实现水中位置的自我调控，最终实现疏水面朝上的形式浮出水面。这种设计对漂浮体有自我调整，固定方向上有特殊要求的应用环境有望能施展作为，例如日光蒸发等。
图6：多功能化的SCO。（a）通过可折叠铰链制备出的能够调控浮力的可折叠SCO。（b）即使将SCO做成圆柱形，也能够实现沉入水中之后浮回水面。（c）圆柱状SCO具有水上架设电缆的潜能。
为了进一步实现功能多样化，作者将可折叠结构引入了SCO，实现了浮力可调。此外，通过将超疏水气室结构与圆柱形相结合，实现了三维拓扑结构的高效漂浮，有望应用于漂浮微管路铺设等场景。本工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、天津市青年人才托举工程、以及南开大学科研启动经费的资助。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202400574
