固体全疏光滑涂层（Solid Omniphobic Slippery Coatings），特指那些对具有广泛表面张力值的液体表现出有效排斥性，并且可以在低倾斜角（TA）下毫不费力地脱落而不会留下残留物的固体光滑涂层。由于其在防污、防冰、催化和传热领域的潜在应用而引起了人们浓厚的兴趣。这些涂层应具有多种优良特性，以承受它们遇到的各种恶劣条件。包括高透明度以避免对它们所保护的表面的光学性能产生任何负面影响，令人满意的机械和环境稳定性以实现其经久不衰的性能。得益于超分子化学的快速发展，包含非共价相互作用和可逆共价键的本征型自修复材料的成功开发成为可能。自修复材料可分为两类：无需外部干预即可修复的自主自修复材料，以及需要外部刺激（如光、热或溶剂）才能实现修复的非自主自修复材料。无论哪种类型，修复过程都依赖于受损区域分子或聚合物链的重排和动态相互作用的重组，从而有效地恢复材料受损的物理或化学性能，并显着提高其可靠性和使用寿命。但是现有的自修复固体全疏光滑涂层往往受到自修复机制高温要求的严重限制，阻碍了其实际应用。因此，通过合理的分子结构设计制备具有室温自修复能力的固体全疏光滑涂层是非常有意义且具有挑战的，此外，这也有助于降低资源消耗和维护成本，并有效增加固体全疏光滑涂层的使用寿命。

  吉林大学化学学院超分子结构与材料全国重点实验室李洋副教授课题组长期从事自修复超分子聚合物材料的功能化研究。致力于通过超分子作用力来制备兼具自修复性能与机械性能的超分子聚合物材料并应用于变色器件，柔性电子器件和分离材料。近年来，该课题组在自修复超分子聚合物材料以及功能化方面取得了一些进展：（1）高强度室温自修复离子凝胶(Adv. Mater. 2024, 36, 2412317)；（2）自修复热致变色离子凝胶用于环境稳定的高性能智能窗（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2313781; Adv. Mater. 2023, 35, 2211456）；（3）自修复摩擦纳米发电机用于柔性可穿戴能量收集装置(Nano Energy 2023, 108, 108243)，(Nano Energy 2021, 90, 106645)。基于在制备自修复功能材料与电子器件方面的宝贵经验。通过合理的分子结构设计，合成了一种含有全氟烷基侧链的无定形聚氨酯(记作FSPU)（图1a）。随后，通过浇铸FSPU和7 wt% 1-己基-3-甲基咪唑氯盐（[Hmim]Cl）的四氢呋喃(THF)溶液，制备了FSPU/7%[Hmim]Cl涂层（图1c）。其可见光平均透光率达99.14%（100 μm厚度），优于结晶性聚合物。AFM相图结果证明其内部是由微相分离结构组成，暗区代表由PDMS链段组成的软相区，亮区代表含氢键的脲基/氨基甲酸酯基组成的硬相区（图1e）。[Hmim]Cl的氯阴离子和咪唑阳离子与FSPU硬段形成氢键，破坏原有氢键网络，减小硬相域尺寸。从而实现涂层在25°C下48小时内完全修复机械划痕，透光率恢复至99.08%。此外，FSPU/7%[Hmim]Cl极低的T_g赋予表面富集的全氟烷基侧链在室温下高界面迁移率。这导致在涂层表面形成“液体状”层，从而实现涂层对具有广泛表面张力值的液体表现出有效排斥性的全疏光滑性能。

图1 a) FSPU的化学结构。b) [Hmim]Cl的化学结构。c) 涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl的玻璃（30 × 20 cm2）照片及FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的内部结构示意图。d) [Hmim]Cl、FSPU及FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在波数范围1600–1750 cm?1、3025–3180 cm?1和3190–3450 cm?1的红外光谱（FTIR）。e) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的原子力显微镜（AFM）相位图。f) 原始、磨损和修复后FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的透射光谱。插图：磨损（左）与修复后（右）涂层的照片。g) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的X射线光电子能谱（XPS）。插图：染色的正十六烷液滴在FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表面滑动的延时快照合成图像。

  通过优化涂层中PFUD/PDMS的比例以及[Hmim]Cl的含量，作者得到具有室温自修复能力且对具有广泛表面张力值的液体排斥的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层并通过AFM，FTIR，SAXS和流变等表征方法对其内部结构和[Hmim]Cl的阳离子和阴离子的协同作用赋予FSPU/7%[Hmim]Cl室温自修复能力机理进行了详细的研究。在室温下，[Hmim]Cl的阴离子和阳离子与FSPU的脲基和氨基甲酸酯基形成氢键。这种相互作用显着减少了硬链段之间的氢键数量，从而显着降低了硬链段有序的程度。因此，硬相域的尺寸减小，它们的动力学得到增强。这些变化减轻了硬相域对FSPU聚合物链运动的限制性影响，从而赋予 FSPU/7%[Hmim]Cl涂层室温自修复能力。与其他已报道的自修复固体全疏光滑涂层相比，FSPU/7%[Hmim]Cl涂层具有最高的透明度和最广泛的可排斥液体表面张力范围以及最低的自修复温度。

图2 a) 使用不同PFUD与PDMS摩尔比的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在25°C下修复不同时间后的平均透光率变化。b) FSPU及FSPU/z[Hmim]Cl涂层在25°C下修复不同时间后的平均透光率变化。c) FSPU/7%m涂层在25°C下修复不同时间后的平均透光率变化。d) FSPU/7%m涂层的FTIR光谱。e) FSPU与FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在C=O伸缩振动区域的FTIR光谱对比。f) 基于图S22中FSPU及FSPU/7%[Hmim]Cl涂层归一化拉伸应力松弛数据的特征弛豫时间与温度倒数的Arrhenius图。g) [Hmim]Cl的加入导致硬相区域尺寸减小的示意图。h) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层与已报道自修复固体全疏光滑涂层的Ashby图比较。

  FSPU/7%[Hmim]Cl涂层展现出卓越的全疏光滑性能，能够排斥表面张力范围17.9–72.0 mN/m、黏度0.31–704 mPa·s的多种液体，包括正己烷、橄榄油、甘油、水等。实际应用中，该涂层成功应用于智能手机屏幕（防指纹）、陶瓷碗（防番茄酱黏附）和抗涂鸦特性（墨水无法附着）。此外，FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表现出良好的耐磨性和环境稳定性，经1 kg砂粒冲击后，其全疏光滑性能能保持稳定。在1 wt% CH₃COOH（pH = 2.8）、1 wt% Na₂CO₃（pH = 11.7）和 3.5 wt% NaCl 中浸泡20天后，暴露于紫外线辐射下，在-30和80 °C的环境中以及25 °C 的真空中储存20天后其全疏光滑性也能保持稳定。

图3 a) 4 μL不同液体在涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl的玻璃表面的CAs及照片（插图）。b) 20 μL不同液体在涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl的玻璃表面的SAs。插图：正己烷液滴在6°倾斜角下于涂层表面滑动的延时快照。c) 不同染色液滴在FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表面滑动的延时快照合成图像，图中标注了滑动时间。d) 染色的20 μL正十六烷液滴在涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl的Teflon（1）、裸露的Teflon（2）和涂覆PDMS的玻璃（3）表面滑动的快照。e) 涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl屏幕保护膜的智能手机照片，以及未涂覆（1）与涂覆（2）保护膜表面指纹的光学显微镜图像。f) 番茄酱在未处理（1）和涂覆FSPU/7%[Hmim]Cl（2）的陶瓷碗中流动的快照。g) 用墨水浸渍的毛笔在一半涂覆，一半未涂覆的FSPU/7%[Hmim]Cl的玻璃表面书写后的照片。h) 不同质量砂粒冲击后，FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表面正十六烷的CA和SA变化。i) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在1 wt% CH₃COOH(pH = 2.8)、1 wt% Na₂CO₃(pH = 11.7)和3.5 wt% NaCl中浸泡20天后，在UV照射下，在- 30和80°C的空气中和25°C真空中储存后正十六烷的CAs和SAs。

  FSPU/7%[Hmim]Cl涂层展现出卓越的室温自修复能力，能够高效修复物理与化学损伤。针对物理损伤（如砂纸划痕），涂层在25°C下通过聚合物链的熵驱动迁移，48小时内完全消除划痕，透光率从83.08%恢复至99.08%，且经过6次磨损-修复循环后仍保持稳定，证明其长期可靠性。对于化学损伤（如氧等离子体蚀刻导致的表面极性基团增加），涂层通过全氟烷基侧链的动态迁移，在48小时内重新富集表面，将氟/氧原子比从蚀刻后的0.9:1恢复至2.8:1，接触角（正十六烷）从15.4°恢复至74.3°，滑动角恢复至12.2°，且经6次蚀刻-修复循环后性能无衰减。这突破了传统自修复涂层依赖高温（如80°C）的局限，为在建筑玻璃、汽车挡风玻璃等难以加热的场景中实现长效抗损伤提供了创新解决方案。

图4 a) 染色的正十六烷液滴在砂纸磨损（1）和修复后（2）的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表面滑动的快照。插图：砂纸磨损（1）与修复后（2）涂层的光学显微镜图像。b) 磨损后的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在25°C下修复不同时间后的透射光谱。c) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层经多次磨损-室温自修复循环后，正十六烷的CA、SA及平均透光率的变化。d) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层物理损伤自修复机制的示意图。e) 染色的正十六烷液滴在等离子体蚀刻（1）和修复后（2）的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层表面滑动的快照。插图：蚀刻（1）与修复后（2）涂层表面正十六烷的接触角。f) 原始、等离子体蚀刻及修复后FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的XPS。g) 等离子体蚀刻后的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层在25°C下修复不同时间后，正十六烷的CA和SA变化。h) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层经多次等离子体蚀刻-室温自修复循环后，正十六烷的CA和SA变化。i) FSPU/7%[Hmim]Cl涂层化学损伤自修复机制的示意图。

  FSPU/7%[Hmim]Cl涂层的多功能性通过其作为透明摩擦纳米发电机（TOSS-TENG）的应用得到充分展现。以该涂层作为摩擦层的TOSS-TENG展现出92.67 %的高透光率，使其适用于智能窗户等透明场景。其全疏光滑特性不仅可排斥水、烷烃、食用油等多种液体，还能将液滴动能转化为电能。当80 μL水滴从30 cm高度冲击倾斜75°的TOSS-TENG时，产生15.04 V的开路电压和329.88 nW的峰值功率（负载电阻2×10? Ω），且输出性能在10000次冲击后保持稳定。更重要的是，TOSS-TENG能利用多种液体（正己烷、甘油等）发电，输出电压范围3.24–13.32 V，突破了传统TENG仅依赖水能发电的局限。涂层的室温自修复能力使TOSS-TENG在物理磨损（砂纸划痕）或化学损伤（等离子体蚀刻）后，48小时内恢复电输出性能，并经受5次损伤-修复循环仍保持初始性能。实际应用中，5×5 cm2的TOSS-TENG作为模型房屋天窗，在模拟降雨（30 cm高度、30 mL/min流速）下，110秒内将1 μF电容器充电至3 V，成功驱动数字时钟；其自清洁特性可清除表面灰尘，并抵抗油污。此外，破碎的TOSS-TENG上的FSPU/7%[Hmim]Cl涂层经THF溶解后可重新制成TOSS-TENG，5次回收循环后电性能无衰减，显著提升其可持续性。

图5 a) TOSS-TENG的透射光谱。插图：TOSS-TENG的照片。b) TOSS-TENG的工作机制示意图。c) TOSS-TENG受80 μL水滴从不同高度冲击后的V_OC。d) TOSS-TENG受不同体积液滴从30 cm高度冲击后的V_OC。e) TOSS-TENG在不同外部负载电阻下的输出电压与输出电流。f) TOSS-TENG受80 μL不同液体液滴从30 cm高度冲击后的V_OC。g) TOSS-TENG在经受50、5000及10000次水滴冲击前后的V_OC对比。h) TOSS-TENG在经受50、5000及10000次手部敲击前后的V_OC对比。i) 原始TOSS-TENG与经不同磨损/修复循环后的TOSS-TENG的V_OC对比。j) 原始TOSS-TENG与经不同蚀刻/修复循环后的TOSS-TENG的V_OC对比。

图6 a) 安装有TOSS-TENG的模型房屋照片。b) TOSS-TENG受模拟降雨冲击后的V_OC及c) I_SC。d) 由受模拟降雨冲击的TOSS-TENG供电的1 μF电容器充电曲线。插图：等效电路示意图。e) 展示TOSS-TENG受模拟降雨冲击后驱动数字时钟运行的连续照片。f) 展示TOSS-TENG自清洁能力的照片。g) 原始、灰尘覆盖及冲洗后TOSS-TENG的V_OC对比。h) 展示TOSS-TENG（1）与PDMS-TENG（2）防污能力的照片。i) TOSS-TENG与PDMS-TENG在滴加橄榄油后的V_OC对比。j) 展示TOSS-TENG回收流程的系列照片。k) TOSS-TENG经不同回收循环后的V_OC变化。

  相关成果以Unlocking Room-Temperature Self-Healing in Solid Omniphobic Slippery Coatings via Ionic Liquid Anion-Cation Synergy为题发表在《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202504874)。吉林大学超分子结构与材料全国重点实验室为第一单位，吉林大学化学学院硕士研究生张俊杰为论文的第一作者，李洋副教授为论文的独立通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持 (Grant Numbers 22475082 and 21971083)。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504874