近日，中科院理化技术研究所江雷院士、田野研究员在Accounts of Chemical Research期刊以题为Bioinspired superspreading surfaces: from essential mechanism to application发表重要综述论文，系统提出了超铺展概念及其表征方法，综述了超铺展表面的本质机理及研究进展，总结了超铺展的应用领域，展望了领域内遗留的重大挑战及发展方向。
根据Thomas Young在1805年提出的杨氏方程，热力学稳态接触角被广泛用于表征表面浸润性，并根据其定义宏观稳态接触角小于5°的表面为超亲液表面。但该表征方法在描述液体的动力学铺展过程时，显示出巨大的局限性。
江雷院士团队之前已经对液体动态铺展过程进行了广泛而深入的研究，并将其应用于薄膜制备、分离、散热等领域。在这些研究中发现表面的性质主要由液体的动力学动态铺展速度主导，而不是热力学上的超亲性。在此基础上，在本综述中正式提出在描述液体动力学铺展过程时，应该使用超铺展（Superspreading）这一概念，而不是经典的超亲液概念（Superhydrophilic/ Superlyophilic），并建议使用超铺展时间（Superspreading time，ST，一滴液滴从接触表面到完全铺展至接触角达到0°所需要的时间）或者铺展半径随时间变化曲线（Superspreading Radius versus Spreading Time, SRST）来定量表征这些表面的动力学铺展性质。我们倾向于使用体积为2 μL的液滴，此时液体的尺寸小于其毛细长度，其主要动力学行为受表面张力驱动而忽略重力的影响。
超铺展概念总览
本综述首先介绍了经过亿万年进化后自然界中选择留下的各种优异的超铺展表面：动物角膜、苔藓、中国文房四宝之一宣纸、鱼鳞等。这些自然界中的超铺展表面的优异性能直接决定了其正常作用的发挥甚至其生理功能。总的来看，这些自然表面都使用了微纳复合的多尺度结构来实现优异的超铺展性能。之后从分子尺度的表面自组装水分子结构引起的新的亲疏水界线（65°）到纳米结构和微观结构在超铺展过程中的宏观各自作用，详细综述了超铺展本质机理研究的最新进展。进一步总结了常用的超铺展表面制备方法、介绍了超铺展表面的应用领域，提出了超铺展体系，最后总结了对该领域存在的挑战。
图1 自然界中的超铺展表面
图2 超铺展体系
1.超铺展本质机理
1.1 新的亲疏水界线（65°）
实现超铺展的重要前提是基底材料的本征亲水性，而长久以来研究人员认为亲疏水的界线是90°，这是根据杨氏方程从数学角度定义的，缺乏对应的物理含义。通过微纳结构放大材料亲疏水性、原子力谱研究发现亲疏水的界线应为65°。
图3 新的亲疏水界线
1.2 纳米结构在超铺展中的作用
根据经典的Wenzel方程，只有当表面的粗糙度大于某一阈值时，该表面才能达到宏观热力学稳态超亲水，而热力学稳态超亲水是实现超铺展的必要条件。因此具有大比表面积的纳米材料被研究者广泛用于提高表面粗糙度来实现超铺展。而超铺展的阈值与基底材料的本征亲水性密切相关，亲水性越好，达到超铺展的阈值越低。
图4 纳米结构在超铺展中的作用
1.3 微米结构在超铺展中的作用
虽然微纳复合结构早已被认知到在超铺展过程中发挥重要作用，但对于具体微米和纳米结构各自在该过程中发挥的主导作用长久以来没有明确的认识。2021年本课题组通过对比实验、原位铺展实验、理论计算证明了纳米结构赋予表面超铺展的性能，微米结构主导则液体动态铺展的速度。（详见之前报道:江雷院士团队《AM》：学习自然、超越自然！从角膜到高性能隐形眼镜）
图5 微米结构在超铺展中的作用
2. 超铺展表面的制备方法
图6 超铺展表面制备方法
3. 超铺展表面的应用
超铺展表面广泛应用于薄膜制造、抗生物粘附、分离、驱油、散热等领域。
图7 超铺展表面用于薄膜制备
图8 超铺展表面用于抗生物粘附
图9 超铺展表面用于液体分离
图10 超铺展表面用于驱油
图11 超铺展表面用于散热
4. 展望
超铺展领域的研究才刚刚开始，近年来尽管取得了快速的发展，但仍存在大量的瓶颈问题：
机理方面受限于仪器表征方法的限制，超铺展过程中表面的水分子结构如何动态变化尚未可知。表面水分子的结构与传统热力学中使用的固-气、固-液表面张力的联系仍非常模糊。宏观水平上，如何从动力学角度理解纳米结构对超铺展阈值的影响仍是一大难题。
应用方面，超铺展表面的长期稳定性仍是一大瓶颈，尤其对于暴露在空气中的表面。大面积超铺展表面的制备成本也较高，限制了其大规模应用。
本综述希望引起大家对超铺展以及液体铺展动力学的广泛兴趣与探讨。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00042
作者信息：
苗伟宁，2018年于北京航空航天大学获得学士学位，同年进入中科院理化所师从江雷院士攻读博士学位。2017年11月在江雷院士指导下获得第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖，2018年8月获得中国青少年科技创新奖，2021年4月获得中国化学会第32届学术年会优秀墙报奖，2021年7月获得中国科学院院长特别奖。目前的研究兴趣集中在超铺展动力学机理研究与应用。
田野，中科院理化所研究员。2006年于东北师范大学获得学士学位。2011年7月于中国科学院化学研究所获得博士学位，2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助，2018年7月加入中国科学院理化技术研究所。研究领域有纳米通道材料、多尺度的超铺展表面。
江雷，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国国家工程院外籍院士。H因子为185，研究领域主要集中在超浸润体系、量子限域超流体等。2022年3月9日，Nature增刊Nature Index遴选2015-2020年自然指数五强国家（美国、中国、德国、英国、日本）的五名杰出科学家代表，对他们的工作以“Game changers”为题进行了专题评述报导，江雷研究员作为中国代表入选。Nature根据国际上最具影响力的82种自然科学类期刊指出，江雷研究员是2015-2020年期间在仿生、纳米材料领域世界最具影响力的作者。