《Advanced Materials Technologies》：3D Printed Omniphobic Slippery Liquid Infused Porous Surfaces for Low Surface Tension Repellency
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本研究针对将Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS)集成到复杂3D结构中并维持其全疏性和低表面张力液体排斥性的挑战，报道了通过数字光处理(DLP)3D打印技术制备全疏性SLIPS的新策略。研究人员通过开发包含丙烯酸酯单体和二氧化硅纳米颗粒的光固化墨水，打印出具有内部储油罐和微通道网络的高分辨率多孔结构，并经氟化前驱体硅烷化修饰后注入氟化润滑剂。所得SLIPS对水滴和n-hexane液滴的滑动角分别低至3.5° ± 0.5°和2.0° ± 0.4°，并展现出优异的自清洁能力。该工作为设计传统方法难以实现的3D全疏性SLIPS结构提供了通用策略，在防污、防冰及软体机器人等领域具有应用潜力。
在许多自然与工业场景中，让表面具备排斥各种液体的“全疏”能力，是实现自清洁、防冰、防污和防腐蚀等功能的关键。受猪笼草捕虫机制启发的润滑液注入多孔表面技术，为实现这一目标提供了一条有前景的路径。与依靠粗糙结构截留空气的“荷叶效应”不同，SLIPS通过在微纳米多孔结构中注入一种与目标液体不相溶的润滑剂，在表面形成一层稳定的液膜。当液滴落在上面时，接触的是这层润滑膜，从而极大地降低了附着力，使得液滴极易滑动。这种设计赋予了表面卓越的排斥性能，不仅能对抗水这类高表面张力液体，理论上也能对抗n-己烷等低表面张力液体。然而，尽管SLIPS概念已被提出十余年，但将其真正集成到具有复杂三维几何形状的物体中，并长期稳定地维持对低表面张力液体的排斥性，一直是一个巨大的挑战。传统的涂层或膜基SLIPS系统，其润滑层通常仅限于表面，容易因机械磨损、润滑剂损耗而失效。能否像“搭建积木”一样，从零开始直接制造出内部自带“润滑油箱”和“输油管道”的三维全疏结构，实现长效、稳定的全疏性能，成为该领域研究者们梦寐以求的目标。
为了解决这一难题，一个研究团队在《Advanced Materials Technologies》上发表论文，报道了他们利用3D打印技术在这一领域取得的突破。他们成功地通过数字光处理这种高精度3D打印技术，制造出了具有内部储油罐和微通道网络的复杂三维结构，并通过材料与表面化学的巧妙设计，实现了对水到n-己烷（表面张力低至18.4 mN/m）的广谱液体高效排斥，其性能是迄今为止3D打印全疏结构中所报道的最佳水平。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术：1. 定制化光固化墨水配方与数字光处理3D打印：开发了一种由丙烯酸酯单体、二氧化硅纳米颗粒、光引发剂等组成的光敏树脂，利用DLP打印机逐层固化，精确制造出预设的、带有内部空腔（储油罐）和表面网格状微通道的三维多孔结构。2. 表面硅烷化化学修饰：对打印出的结构进行氟硅烷（TCPFOS）处理，在结构表面（包括内部通道）引入氟化基团，以增强其与后续注入的氟化润滑剂（FC-40）的亲和性，确保润滑剂稳定驻留。3. 润滑剂灌注与性能表征：将氟化润滑剂注入结构的储油罐，使其通过毛细力沿微通道铺展至表面形成润滑膜。随后，系统测量了水、n-十六烷、n-己烷等多种液体的接触角、滑动角，并进行了自清洁、耐久性、机械耐磨性等一系列功能测试。
研究结果
2.1 全疏结构的制备
研究首先展示了整个制造流程：设计带有表面连接通道的3D SLIPS结构，利用DLP打印成型，接着对含二氧化硅颗粒的结构表面进行氟硅烷化处理，最后将氟化润滑剂注入内部储油库，从而在表面形成光滑的润滑层。所设计的结构是一个中空的储罐，通过网格状的通道网络与表面相连。通过扫描电镜确认，打印结构实现了高分辨率，且掺入的二氧化硅纳米颗粒形成了粗糙的表面形貌，有利于润滑剂保持。
2.2 墨水成分、设计参数与比较性能
研究发现，墨水中的二氧化硅纳米颗粒浓度影响了硅烷化后表面氟原子的含量，3 wt.% 的浓度效果较优，能有效防止水和n-十六烷的渗透。通道宽度是另一个关键参数，在保持间距和深度不变的情况下，宽度在150-300 μm范围内，经硅烷化后均能实现大于120°的水接触角和大于90°的n-十六烷接触角。研究最终优化选择200 μm的通道宽度，基于Jurins定律计算表明，该尺寸下的毛细力足以将FC-40润滑剂稳定提升并覆盖整个600 μm深的通道。硅烷化处理后，优化结构对多种液体均表现出不润湿性，水接触角达131.9° ± 0.9°，n-十六烷接触角为100° ± 2°。
注入氟化润滑剂后，液滴的滑动性能得到极大提升。所有测试液体的滑动角均低于5°，其中水为3.5° ± 0.5°，n-十六烷为2.5° ± 0.5°。值得注意的是，尽管n-己烷的接触角仅为19° ± 2°，但其滑动角极低，为2.0° ± 0.4°，这充分体现了SLIPS的“解钉扎”效应。研究通过对比实验强调了硅烷化的关键作用：未经硅烷化的结构，润滑剂兼容性差，液滴会被钉扎在表面；而经过硅烷化的结构则表现出有效的全疏SLIPS行为。与以往报道的3D打印疏液表面相比，本研究的工作实现了对表面张力低至18.4 mN/m的n-己烷的稳定排斥，是目前已知的3D打印结构所能排斥的最低表面张力液体。
2.3 自清洁、耐久性与机械鲁棒性
润滑剂注入后的SLIPS结构展现出优异的自清洁能力。在含有咖啡渣的脏水溶液中浸泡后，未注入润滑剂的结构被污染，而注入润滑剂的结构则保持清洁。将咖啡渣直接撒在注入润滑剂的SLIPS表面，再用水滴冲洗，水滴能有效收集并带走颗粒，实现表面清洁。在耐久性测试中，结构在倾斜3°的情况下，平均可承受约50次水滴滑动循环。在润滑剂中添加10 wt.%的氟化油脂可显著提升性能，使两种液体的滑动循环次数超过100次。长期暴露测试表明，结构在环境中可保持SLIPS效应达8天，在密闭容器中则可达15天以上。机械耐磨测试显示，即使经过88次砂纸磨损循环，水接触角仍保持在120° ± 2°的高位，且水无法渗透网格表面，表明结构具有较高的机械鲁棒性。
2.4 复杂的SLIPS结构
利用DLP打印的高分辨率优势，研究团队还制造了一个复杂的梯形SLIPS结构。该结构表面同样设计有通道并与内部储库相连。为了在复杂三维形状中保持润滑剂，研究中添加了高粘度氟化油脂。对比实验表明，注入润滑剂的梯形SLIPS上，水和n-十六烷液滴都能立即滑落；而普通的无通道梯形结构上，水滴被钉扎，n-十六烷液滴则铺展开来。
研究结论与意义
本项研究成功展示了一种利用数字光处理3D打印技术制造具有低表面张力排斥性能的三维全疏性润滑液注入多孔表面的新方法。其核心创新在于将内部储油库与微通道网络一体化打印到结构内部，创造了一个可持续补充的表面润滑系统。通过精心设计的光固化墨水（含丙烯酸酯单体和二氧化硅纳米颗粒）和关键的氟硅烷化表面改性工艺，实现了打印结构与氟化润滑剂的良好兼容。最终获得的SLIPS结构对包括n-己烷在内的多种液体表现出极低的滑动角（均低于5°），具备有效的自清洁能力、良好的机械耐久性和时间稳定性。
这项工作的意义重大。它突破了传统SLIPS技术通常局限于二维表面涂层、润滑剂储量有限且易损耗的瓶颈。通过3D打印，润滑剂不再局限于一层脆弱的表面薄膜，而是可以嵌入到物体内部，通过设计的“血管”网络持续供给，这大大提升了SLIPS系统的可靠性和使用寿命。更重要的是，该方法赋予了设计自由度，能够直接制造出具有复杂三维形状、且天生具备全疏特性的功能器件。这为许多以往难以应用传统SLIPS的领域打开了新的大门，例如，可以直接打印出具有自清洁和防冰功能的软体机器人抓手、防生物污损的定制化医疗植入物或设备、以及高效防腐蚀的复杂结构件。该研究标志着向按需设计和制造高性能功能性表界面迈出了关键一步，为未来智能材料和多功能器件的开发提供了强大的工具和新的思路。
