通过协调动态机制调控漆酚与金属之间的相互作用，可以实现多功能界面在疏水状态与超疏水状态之间的按需切换

《Journal of Colloid and Interface Science》：Coordination-dynamic urushiol-metal topographies enable on-demand switching between parahydrophobic and superhydrophobic states for multifunctional interfaces

该研究提出基于尿囊素-金属网络动态重构的表面拓扑调控策略，通过交替沉积Fe3?和尿囊素层实现超疏水/高粘附状态的的可逆切换，突破传统方法依赖外部刺激或复杂结构的局限。该表面在保持>95%稳定性的前提下，成功应用于无损伤液滴转移、可视化微反应器、抗菌止血等场景，效率达99.93%油水分离，展现出自修复和普适适配特性。

　　

肖宇|朱家伟|吴青云|谢瑞琪|顾琳

中山大学化学工程与技术学院，中国珠海519082

摘要

在智能界面材料领域，开发能够在荷叶效应和玫瑰花瓣效应之间动态切换的表面对于实现多功能应用至关重要。然而，现有的策略往往受到稳定性差、需要外源性修饰剂或复杂预设计结构的限制。我们假设，基于漆酚-金属网络结构重构的协调动态策略可以作为一种通用且内源性的方法，来创建具有按需可切换润湿状态（疏水/超疏水）的表面，从而无需外源性修饰剂。为了验证这一假设，我们在不同的基底上通过顺序组装循环调整了末端沉积层（Fe³⁺ vs. 漆酚），定制了它们的微纳结构，并通过接触角测量、高速成像和润湿机制分析系统地验证了所得到的润湿状态。我们的研究发现，末端Fe³⁺层生成了稳定的Cassie-Baxter状态下的微纳复合结构（水接触角（WCA）156°，粘附力95.7 μN），而末端漆酚层则产生了微米级粗糙度的混合润湿状态（WCA 158°，粘附力129.6 μN）。耐久性测试表明，这些表面在300次剥离循环、20次磨损循环和7天的紫外线照射后仍保持超过95%的疏水性。这种无修饰剂的切换机制使得这些表面具有多种应用潜力，例如通过粘附力差异实现无损液滴传输、用于监测界面动力学的可视化微反应器、接近零的细菌粘附、高效油水分离（效率99.93%，通量11.7 × 10^4 L·m^(-2)·h^(-1)）以及通过Zn^2+增强止血并实现血块自动脱落。这一协调动态平台通过不依赖外部添加剂实现了可逆的润湿状态，为智能界面设计提供了一种不受基底限制的范式。

引言

虽然超疏水表面（水接触角（WCA）>150°，低粘附力）能够实现自清洁和防冰功能，但疏水状态（WCA >150°，高粘附力）则有助于液滴操控。[1],[2] 然而，现实世界中的场景通常需要多种功能——同一个界面可能需要首先捕获液滴（高粘附力，疏水状态），然后释放和传输液滴（低粘附力，超疏水状态），或者最初执行抗菌作用（通过金属末端层释放Fe^3+/Zn^2+），之后防止细菌粘附（通过低粘附力的Cassie-Baxter状态）。在这些润湿状态之间实现动态、可逆的切换，可以将这些看似矛盾的功能整合到一个平台上，这对生物医学设备、环境修复和界面工程具有变革潜力。[3],[4] 传统的实现这种调控的方法包括蚀刻、沉积、模板法、水热法和外源性化学修饰，但这些方法都存在根本性的局限性。[5],[6],[7],[8] 蚀刻需要特定基底的试剂和后续的功能化处理。[9] 沉积和模板方法需要复杂的预设计结构，且操作稳定性较差。[10] 水热合成依赖于高温处理和外源性修饰剂，这些修饰剂会改变系统的组成。[11] 此外，外源性化学修饰会引入外来物质，掩盖结构与活性之间的关系。[11] 而且，这些方法都有一个共同的关键缺陷——表面化学与微观几何形状之间的静态、不可逆的耦合，阻碍了真正的动态切换。因此，将超疏水性和疏水性整合到一个平台上仍然具有挑战性，特别是对于需要同时实现内源性按需切换和机械/化学耐久性的多功能应用。

漆酚-金属协调网络提供了一种克服这些限制的有趣途径，利用天然的多酚化学来设计稳定的界面结构。[12] 漆酚是漆的主要成分，含有儿茶酚和烷基链，它可以自发地与Fe^3+、Cu^2+等金属离子形成动态复合物，从而实现pH依赖性的自组装成微纳结构。[13] 郑等人通过逐层组装漆酚-Cu纳米粒子制备了疏水薄膜。[14] 白等人使用漆酚-Fe^2+微球制造了太阳能蒸汽发生器。[15] 然而，这些研究仅利用了漆酚-金属协调作用来制备静态涂层。通过顺序金属离子协调实现地形重构的动态能力——能够在不使用外源性物质的情况下内源性控制表面能和粗糙度——为实现不受基底限制的可逆润湿切换提供了有力的途径。然而，这一潜力尚未得到充分利用：协调驱动的结构动态与润湿转变之间的机制联系，特别是Cassie-Baxter（低粘附力）和混合润湿（高粘附力）状态之间的有意切换，尚未被建立。

在这里，我们提出了一种基于协调的拓扑编辑策略，首次实现了表面化学组成和微观拓扑结构的协同、可逆和内源性重构，通过驱动动态协调键，从而按需在疏水和超疏水状态之间切换。只需简单调整在不同基底（非织造织物、聚偏二氟乙烯（PVDF）膜、不锈钢网）上漆酚和Fe^3+的沉积顺序，就可以无需外部刺激地完成表面拓扑的按需和可逆重构。末端Fe^3+层产生超疏水性的微纳复合结构（粘附力95.70 μN），而末端漆酚层形成微米级粗糙度，呈现疏水状态（粘附力129.59 μN）。这种方法具有出色的稳定性，能够抵抗300次剥离循环、砂纸磨损、紫外线（UV）辐射以及pH 1–13的极端条件，WCA损失小于5%。我们进一步展示了其多功能性，包括无损液滴传输、用于监测反应动力学的可视化微反应器、通过Fe^3+释放实现抗菌活性、多模式油水分离（效率99.93%）以及通过Zn^2+增强止血并实现血块自动脱落。此外，由于采用了内源性方法消除了外源性修饰剂，我们讨论了不同疏水性在这些应用中的优缺点。这项工作为设计具有可调粘附力的智能界面建立了一个通用平台，将基础协调化学与可持续技术和生物医学的实际应用联系起来。

材料

聚酯（PET）非织造织物和滤纸分别从东莞吉创净化技术有限公司（中国）和杭州通用电气生物技术有限公司（中国）购买。不锈钢网从上海筛网过滤布厂直接（中国）获得。PVDF微滤膜（平均孔径0.22 μm）由Membrane Solutions（美国）提供，原始漆由西安漆研究所（中国）提供。乙醇（≥95%）

协调驱动的拓扑重构

使用FESEM和超深度三维显微镜对原始和非改性非织造织物的表面形态进行了表征。如图2a所示，原始非织造织物呈现出白色外观，具有微米级的纤维堆叠，表面光滑，表面粗糙度为4.588 μm（图S1a）。经过漆酚-Fe^3+网络修饰后，Fabric(Fe)-Fe样品显示为棕褐色（图2b）。值得注意的是，

进展、概念创新和比较分析

这项工作建立了一种通用的、内源性的策略，用于制造具有动态可切换润湿性和粘附性的智能界面。通过顺序沉积来调控漆酚-金属协调网络的动态重构，我们实现了对表面形态的精细控制：Fe^3+终止的结构产生了坚固的、低粘附力的超疏水微纳结构（Cassie-Baxter状态，WCA >156°，粘附力约96 μN），而漆酚终止的结构

CRediT作者贡献声明

肖宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。朱家伟：撰写 – 审稿与编辑，可视化，研究，正式分析，数据管理。吴青云：监督，资源调配，方法学，资金获取，概念化。谢瑞琪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源调配，概念化。顾琳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢南方医科大学的周东方教授在细胞毒性实验中的慷慨帮助。本工作得到了国家自然科学基金（编号52373065）和广东省基础与应用基础研究基金-海上风电联合基金项目（编号2024A1515240029）的财政支持。