兼具疏油與自我修復能力、易於黏附在多種物料表面的新型矽塗層

香港城市大學（城大）的研究團隊，最近成功通過分子工程，突破現有物料限制，研發了一種新型超分子有機矽（DOSS）塗層，能夠同時兼具自我修復和疏油的特性，而且易於黏附在多種表面上。研究人員相信該塗層可用於自我清潔、防污、催化、儲能和傳熱等方面，於能源、環境和生物醫學範疇均能廣泛被應用。

能夠疏水、疏油、抵擋各種損傷或者具有自我修復能力的塗層物料，於日常生活以至多個行業都極具需求。然而，現有物料都只具有上述個別特性，或是因塗層物料的疏油特性，使其難以黏附在固體物料表面而不利作為塗層之用。

由城大生物醫學系副教授姚希博士領導的研究小組，花了近三年時間研究，最近取得突破。他們通過分子工程，研發出一種新型的超分子物料，成功將可自我修復、具高黏附力和疏油三種特性罕有地結合於一身，稱為「自修復疏油超分子有機硅塗層」（damage-healable, oil-repellent supramolecular silicone），簡稱DOSS塗層。這種塗層物料近日更榮獲香港創新科技及製造業聯合總會頒發的香港創新科技成就大獎2019 -「亞洲國際創新發明大獎」之「金獎」。

獨特分子「三臂」結構　黏附力大增

姚博士說︰「我們運用了分子工程設計，將這種矽氧烷聚合物的分子，設計成獨特的三臂結構，加強了分子中的氫鍵（hydrogen bonding）可以有序地大量形成網絡，從而加強鍵合，不僅有助使塗料在固體界面上的黏合，還可以增強塗料自我修復的性能。」

研究證實，兩塊玻璃只需用1平方厘米的DOSS 塗層黏合，已能承載一公斤的重量，原因是塗層與物料之間通過組成氫鍵，產生強力的相互作用，使塗層牢固地黏附到各種物料表面上。

研究團隊進行過不同的測試，得出的結論是這種新塗層可以黏合於各種物料表面，包括紙板、鋁、銅，塑料甚至疏水的Teflon。

 

疏油兼可自我修復

同時，研究團隊證明了DOSS塗層可以排斥大多數的商業食用油。這可歸因於塗層含有矽氧烷（siloxane），與油之間只有微弱的相互作用，從而達致疏油和防污的效果。

此外，DOSS塗層還具有卓越的自我修復性能。研究人員首先用刀片在塗層上劃下切割線，然後觀察油滴在塗層表面上滑動的情況：油滴會卡在塗層受損的區域。隨後，他們用氮氣吹塗層20 秒並在90°C下加熱15分鐘，以除去表面上殘留的油分，加速塗層自我修復。結果劃下的切割線消失，油滴在「癒合」的表面上順暢地滑動。

姚博士說：「加熱後塗層『癒合』得更快，因為聚合物鏈段運動得更快，幫助界面整合重新形成氫鍵，加速『癒合』。」他們並發現，重複切割和「癒合」不會影響塗層的化學結構，意味著疏油特性在磨損或其他惡劣環境下都得以保持。

 

姚博士表示，DOSS塗層的疏油特性使其易於清潔，因此可用作醫療設備的防污塗層，甚至可以噴塗在牆壁上以防止塗鴉；其自我修復性能則可廣泛應用在電子設備的屏幕防指紋保護膜、汽車擋風玻璃，以至一些苛刻環境和難以持續維修保養的高尖端領域，如航空、航太空、海洋、太陽能板面、仿生皮膚、仿生機械人等方面。

他續指出，塗層以有機矽為主要原料，生產成本遠低於市場上現有的、以有機氟化物為主的產品，易於後續的產品開發和普及應用。團隊的下一步會將材料商業化，並正申請美國專利。

該研究結果早前發表在科學雜誌《Science Advances》上，標題為“Supramolecular silicone coating capable of strong substrate bonding, readily damage healing, and easy oil sliding”。姚博士是該論文的通訊作者。第一作者是城大生物醫學系博士畢業生兼研究員劉美金博士。研究團隊成員還包括城大機械工程學系的王鑽開教授、生物醫學系的王昭月和劉鵬，以及香港理工大學機械工程學系副教授姚海民博士。

 

是次研究得到國家自然科學基金委員會、香港研究資助局的「優配研究金」及協作研究金的支持。

DOI number: 10.1126/sciadv.aaw5643