近日，我校机械工程学院先进表面制造课题组张磊副教授、孙吉宁教授以及生物工程学院施振强副教授在多相态低黏表面分子结构设计领域取得进展，相关研究成果以“基于儿茶酚共轭柔性大分子构建类液体通用闪固涂层”（Catechol-bonded Universal Flash Coating toward Liquid-Like Surfaces）为题，发表于材料科学领域国际高水平期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

将柔性大分子锚定于光滑固体表面所构建的类液体表面（Liquid-like Surfaces, LLSs），为低黏表面技术带来了全新定义（Nat. Rev. Chem.7， 123-137， 2023）。与依赖复杂微纳结构的超疏水表面（Science346， 1096–1100， 2014）及液体灌注表面（Nature477， 443-447， 2011）不同，类液体表面无需借助表面纹理即可实现优异的抗黏附性能，突破了传统表面设计的局限。目前，类液体表面的构建主要依赖于柔性分子末端的硅醇基团（─SiOH）与表面羟基（─OH）之间的脱水缩合反应，形成稳定的Si─O共价键连接。然而，该策略在实际应用中仍面临三大挑战：1.基材适用性受限；2.反应条件复杂苛刻；3.引起金属基材腐蚀。因此，基于类液体表面的特性，开发一种无需催化剂、高温或复杂表面处理的通用型快速制备涂层，在短时间内实现柔性分子在不同基材上的高效锚定，具有重要的研究价值与应用前景。

研究团队创新性设计了一种单端由儿茶酚封端的线性聚二甲基硅氧烷分子（L-PDMS-Cat），从而在分子层面实现类液体表面的通用快速制备。通过研究分子构型对表面抗黏附性能的影响，线性分子构型保留了未缠结的动态柔顺性，在表面接枝后展现出优异的抗黏附性能，揭示了分子构型与表面类液性质之间的内在关联。

图1.图文摘要

高度柔性的L-PDMS-Cat分子链能够通过简易喷涂工艺，在金属、无机及有机材料等多种基底表面快速固定形成聚合物刷，即通用闪固涂层（UFC）。该分子在表面的锚定作用源于儿茶酚基团与基底之间形成的多重相互作用，包括氢键、络合作用及π–π键。与此同时，分子另一端的Si–O–Si骨架凭借其极低的内旋转势垒，确保了分子链在接枝后仍能保持高度的动态柔性。得益于贻贝粘附机制的启发，该分子链锚定过程无需催化剂或苛刻工艺条件，在常温环境下仅需10秒即可完成类液体表面的构建。通过采用线性聚合物主链的有序设计（末端带有单个儿茶酚基团），锚定在表面的聚二甲基硅氧烷分子得以保持刷状、非交联的理想构象。这一结构特点使UFC表面呈现出类液体特性，具体表现为极低的液体接触角滞后（CAH Δθ5°），以及极低的冰剪切强度（τice= 16.7 ± 10.5 kPa）。

图2.UFC制备工艺流程

此外，研究团队还系统设计了一系列具有不同分子结构的儿茶酚共轭聚合物，以深入探究类液体特性产生的内在机制。流变学分析结果表明，L-PDMS-Cat分子刷在不同温度与剪切速率下的流动行为均符合阿伦尼乌斯关系，并且对温度变化表现出高度敏感性，其流变特性与硅油液体润滑行为相似。这一发现从流变学角度有力地揭示了L-PDMS-Cat接枝表面具备典型的类液体动态行为。

图3.锚定分子的空间构象与表面类液性质的构效关系

将儿茶酚化学与柔性大分子相结合，不仅为开发普适性分子接枝策略提供了新途径，也揭示了聚合物链构型与其界面滑移行为之间的内在关联。基于此类设计，可通过喷涂、浸渍或刷涂等简便方式在不同基底上快速构建抗粘附表面，并在疏液、防污、集液与除冰等方面表现出持久稳定的性能。此外，该涂层中的硅氧烷主链可被其他柔性链聚合物（如亲水性聚乙二醇、疏水性全氟聚醚等）灵活替代，从而实现对表面功能的按需调控。得益于其简便高效的制备工艺，UFC在多个领域展现出广阔的应用前景，包括日常家用表面（如厨房台面）、可再生能源系统（如光伏面板与风力涡轮机叶片）以及流体输送基础设施（如原油管道）等。

图4.UFC类液体表面的多功能性

该研究得到了国家自然科学基金（批准号：52205184，82402541）、大连理工大学青年教师启动基金以及企事业横向项目的支持。我校机械工程学院博士研究生景浩为该论文第一作者，机械工程学院张磊副教授、孙吉宁教授以及生物工程学院施振强副教授为该论文共同通讯作者。近年来，先进表面制造团队在低黏功能表面分子结构设计领域发表了一系列具有影响力的工作：通过对表面修饰分子骨架原子键进行重组设计，实现了多相态界面宏微观力学的定向调控（ACS Appl.Mater.Interfaces2020,12，20084）；通过类液分子梯度介导实现液滴自驱动强化冷凝传热（Adv. Funct. Mater.2021,31，2008614）；利用分子动力学模拟，首次从分子尺度揭示了类液体表面的界面流体特性及其微观机理。（J. Phys. Chem. B2024,128，7871）；揭示了分子动态柔顺性与空间位阻的协同作用机制，阐明了交联聚合物材料表面层悬挂链动态结构与抗油渗透的构效关系。（Adv. Mater,Technol.2025,10, 2401176）