研究人员受水栖蜘蛛（Argyroneta aquatica spider）的启发，开发出一种超疏水性表面，其稳定的底盘可在水下持续数月。这种表面可应用于生物医学领域，如减少手术感染；也可应用于工业领域，如防止管道腐蚀。

一种蜘蛛一生都生活在水下，尽管它的肺只能呼吸大气中的氧气。它是如何做到的？这种名为 Argyroneta aquatica 的蜘蛛身上有数百万根粗糙的憎水绒毛，这些绒毛能捕捉身体周围的空气，形成一个氧气库，成为蜘蛛肺部与水之间的屏障。

几十年来，材料科学家们一直在试图利用这层薄薄的空气保护作用。这样做可以制造出水下超疏水表面，防止腐蚀、细菌生长、海洋生物附着、化学污垢以及液体对表面的其他有害影响。但事实证明，plastrons 在水下极不稳定，只能在实验室中保持表面干燥几个小时。

现在，由哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）、哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所、德国埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学和芬兰阿尔托大学领导的研究小组开发出了一种超疏水表面，这种表面具有稳定的质膜，可在水中保持数月之久。该团队的总体战略是创造持久的水下超疏水性表面，这种表面能排斥血液，并大大减少或防止细菌和藤壶、贻贝等海洋生物的附着，从而在生物医学和工业领域开辟了一系列应用前景。

"生物启发材料研究是一个极其令人兴奋的领域，它不断将大自然中进化出的优雅解决方案带入人造材料领域，使我们能够推出具有前所未见特性的新材料，"该论文的共同作者、SEAS材料科学艾米-史密斯-贝里尔森教授（Amy Smith Berylson Professor of Materials Science）、化学与化学生物学教授乔安娜-艾曾伯格（Joanna Aizenberg）说。"这项研究证明了揭示这些原理可以开发出在水中保持超疏水性的表面。"

Aizenberg 还是 Wyss 研究所的副教员。这项研究发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。

20 年前，研究人员就已经知道，稳定的水下底盘在理论上是可行的，但直到现在，他们还未能在实验中证明这一点。

Plastrons 的最大问题之一是，它们需要粗糙的表面才能形成，就像 Argyroneta aquatica 的毛发一样。但这种粗糙使表面的机械性不稳定，容易受到温度、压力或微小缺陷的任何微小扰动的影响。

由一种常用且廉价的钛合金制成的嗜气性表面具有持久的质膜，在血液培养皿中浸泡数百次后仍能保持干燥。图片来源：Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

创新技术和发现

目前评估人工制造的超疏水表面的技术只考虑了两个参数，而这两个参数并不能提供足够的信息来说明空气质点在水下的稳定性。来自阿尔托大学的 Aizenberg、Jaakko V. I. Timonen 和 Robin H. A. Ras，以及来自佛罗里达大学的 Alexander B. Tesler 和 Wolfgang H. Goldmann 及其团队确定了更多的参数，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、质面覆盖率、接触角等信息。

利用这种新方法和一种简单的制造技术，研究小组用一种常用的廉价钛合金设计出了一种所谓的亲气表面，这种表面具有持久的质膜，比以前的实验更能保持表面干燥数千小时，甚至比生物物种的质膜更持久。

特斯勒曾在 SEAS 和 Wyss 研究所从事博士后研究，也是这篇论文的第一作者，他说："我们使用了 20 年前理论家提出的一种表征方法，证明了我们的表面是稳定的，这意味着我们不仅制造出了一种新型的极其排斥、极其持久的超疏水性表面，而且我们还可以有途径用不同的材料再做一次。"

为了证明羽状体的稳定性，研究人员对其表面进行了各种试验--弯曲、扭曲、用热水和冷水喷射、用沙子和钢材打磨，以阻止其表面保持嗜气性。它在水中浸泡了 208 天，并在血液培养皿中浸泡了数百次。它严重减少了大肠杆菌和藤壶在其表面的生长，并完全阻止了贻贝的粘附。

"该系统的稳定性、简易性和可扩展性使其在实际应用中非常有价值，"论文共同作者、SEAS 研究生 Stefan Kolle 说。"通过这里展示的表征方法，我们展示了一个简单的工具包可以优化超疏水表面以达到稳定性，这极大地改变了应用空间。"

该论文的资深作者、前哈佛大学研究员戈德曼表示，这一应用空间包括生物医学应用，可用于减少术后感染，或用作支架等可生物降解的植入物。它还可用于水下，防止管道和传感器腐蚀。未来，它甚至可以与艾森伯格和她的团队十多年前开发的被称为SLIPS的超滑涂层（注入液体的多孔表面）结合使用，进一步保护表面不受污染。