超疏水表面在液滴傳輸、傳感器以及微流控等眾多領域展現出極大的應用潛力。目前，絕大多數超疏水表面是構建于剛性基板，或者變形程度較低的柔性基板之上。但這類超疏水表面存在明顯缺陷，一旦發生變形，其超疏水性能便難以維持，這一問題嚴重制約了超疏水表面從實驗室走向實際應用的進程。與此同時，利用傳統方式制備超疏水表面，所涉及的過程復雜且成本更高，不利于大規模推廣應用。基于以上現狀，研發一種簡便易行且經濟高效的制備工藝，用以生產能承受高度拉伸的超疏水膜，已成為該領域亟待解決的關鍵問題。
近日，魯東大學陳雪葉教授團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術結合模塑法，設計制造了一種具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。該研究采用摩方精密nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印設備與模塑法結合制備出具有高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜(Pdoshtf)。該制備方法不僅過程簡單，而且成本較低。此外，研究團隊還通過BP神經網絡成功預測了PDMS/二甲基硅油薄膜最大拉伸率與PDMS預聚物A、交聯劑B、二甲基硅油不同配比的關系，得到配比為10:1:3.20。所制備的 Pdoshtf 表現出優異的拉伸性能和超疏水穩定性，斷裂拉伸率為 300%。該薄膜在拉伸 250% 后，仍能保持優異的超疏水性能。此外，落在 Pdoshtf 上的液滴會及時反彈，沒有任何殘留物，顯示出優異的超疏水特性。最后，團隊設計制備了一種由 Pdoshtf 和電磁系統組成的能量收集裝置，該裝置可以通過液滴和反彈來收集雨滴的能量。
相關成果以“Fabrication and energy collection of PDMS/ dimethylsilicone oil superhydrophobic high tensile film"為題發表在國際高水平期刊《Chemical Engineering Journal》上，魯東大學2022級研究生張培華、2024級研究生江潤鵬、2023級本科生李博源為共同第一作者，陳雪葉教授為通訊作者。
（1）通過3D打印模板法，結合硅烷化處理與二氧化硅納米顆粒涂層技術，制備PDMS/二甲基硅油超疏水高拉伸薄膜（圖1）。
（2）通過BP神經網絡優化PDMS/硅油配比，預測薄膜最大拉伸率。輸入層為預聚物、交聯劑、硅油比例，輸出層為拉伸率。基于190組正交實驗數據（140組訓練、50組測試），模型預測結果與實際實驗的相關系數 R2 達0.99，驗證了機器學習在材料設計中的可靠性。最終確定配比為10:1:3.20，拉伸率較普通PDMS提升275%。研究還發現，硅油含量過高會導致交聯網絡松散，機械強度下降，凸顯了配比平衡的重要性（圖2）。
（3）為了進一步研究影響拉伸性能與超疏水穩定性關聯。研究團隊探究了微結構參數（直徑、高度、間隙）及拉伸應變對疏水性能的影響。當圓柱直徑600 μm、間隙700 μm時，接觸角最大（153°），滾動角（8°）。拉伸測試顯示，薄膜斷裂拉伸率達300%，遠超普通PDMS（80%）。在250%應變下，接觸角仍保持>150°，歸因于微納結構的彈性恢復能力。循環拉伸實驗（300次，100%應變）后接觸角無顯著下降，證明其耐久性（圖3）。
圖3. Pdoshtf 拉伸性能測試 a) 隨著微米級圓柱形結構直徑的增加，Pdoshtf 的接觸角和滾動角發生變化; b) 高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水膜的接觸角和滾動角隨微米級圓柱形結構高度的增加而變化; c) Pdoshtf 的接觸角和滾動角隨微米級圓柱形結構間隙的增加而變化 d) 液滴落在高拉伸 PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜上的光學照片，干燥液滴后，液滴呈球形; e) 落在應變范圍為 0% 至 200% 的 Pdoshtf 上的液滴的光學圖像; f) Pdoshtf 和普通 PDMS 薄膜的應力-應變曲線; g) 不同拉伸循環下 Pdoshtf 接觸角的變化; h) 不同應變條件下Pdoshtf接觸角的變化。
（4）通過高速攝像（10,000 fps）和COMSOL模擬，對比Pdoshf與普通薄膜的液滴動力學行為。直徑2 mm的液滴從1 cm高度跌落，Pdoshf表面液滴5.2 ms內反彈，而普通薄膜因黏附力滯留。韋伯數分析顯示，液滴動能越大，最大鋪展直徑增加，反彈時間縮短。數值模擬結合Navier-Stokes方程與固體力學模型，驗證了薄膜壓縮位移與液滴動能的線性關系，為能量收集裝置設計提供參數優化依據（圖4）。
圖4. 液滴實驗和模擬 a) 液滴滴落在 Pdoshtf 和 PDMS/二甲基硅油膜上的過程; b) 不同韋伯數下液滴的最大擴散半徑和與表面分離的時間; c) 落在普通 PDMS 表面的液滴示意圖; d) 液滴落在普通 PDMS 表面的模擬結果; e） 不同半徑的液滴以不同的高度釋放到普通 PDMS 的表面。
（5）通過Pdoshf設計了雨滴能量收集裝置。當雨滴沖擊薄膜時，壓縮形變驅動下方線圈切割磁感線（磁場強度0.5 T），單次液滴（直徑2 mm，高度1 cm）可產生雙峰電流（峰值0.5 μA）。實驗表明，液滴質量、高度與電流強度正相關（如質量增加50%，電流提升120%）。裝置采用玻璃罩保護、銅線圈（匝數200）和電位計實時監測，在模擬降雨環境（20滴/分鐘）下可持續輸出電能。該設計為物聯網傳感器、環境監測設備提供了自供能解決方案，拓展了超疏水材料的應用場景（圖5）。
圖5. Pdoshtf 磁電發電機和產生的電流的示意圖; a) Pdoshtf 磁電發電機設計示意圖; b) Pdoshtf 磁場切割發電示意圖 c) Pdoshtf 物理裝置的 3D 圖紙和 2D 圖紙; d) 在液滴下落所需的時間內產生電流的情況; e) 不同高度、速度、質量和體積的液滴落在Pdoshtf上以產生電流條件。
總結：
本文提出一種3D打印模板法制備高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜，通過BP神經網絡的到PDMS預聚物A、交聯劑B、二甲基硅油的配比為10:1:3.20。通過此方法制備的薄膜具有優異的拉伸性能和超疏水性能。此外，將高拉伸PDMS/二甲基硅油超疏水薄膜與磁鐵結合設計了一種能量收集裝置，在雨水發電領域具有應用前景。
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