涂層是金屬表面防護的重要手段，在防腐領域占據重要地位。然而，傳統(tǒng)涂層在復雜環(huán)境下長期服役面臨挑戰(zhàn)，超疏水涂層雖因其微納結構和低表面能展現(xiàn)出優(yōu)異的防腐蝕、自清潔和防冰性能，但其耐用性差——微納結構易碎、與基材附著力弱——嚴重限制了其廣泛應用。盡管研究者通過主動再生、被動抵抗等策略提升了涂層耐用性，但涂層一旦失效，如何將其從昂貴的金屬基底上無損去除并重新涂覆，仍是亟待解決的難題。傳統(tǒng)去除技術如噴砂或溶劑浸泡不僅能耗極高、易產生有害廢物，更會在去除過程中不可逆地損傷基材，嚴重制約大型工程裝備的可持續(xù)利用。

針對這一挑戰(zhàn)，西南科技大學王山林、魏勇、章建文研究團隊受自然界蛇類通過蛻皮實現(xiàn)表皮無損更新的啟發(fā)，提出了一種可通過電開關實現(xiàn)無損去除的超疏水涂層。該涂層由離子導電的“i層”和超疏水導電的“e層”組成。在自然狀態(tài)下，i層中無序的自由離子增強了涂層與基材的附著力，確保其耐用性；當需要去除時，僅需施加90伏直流電壓3分鐘，自由離子便會定向遷移形成有序排列，在界面處產生雙電層并引發(fā)快速電化學反應，生成大量氣體，產生膨脹應力破壞界面相互作用，使涂層附著力從2.46 kJ/m2驟降至0.01 kJ/m2，去除效率高達99.6%，涂層即可輕松無損剝離，且基材表面潔凈無損傷。相關論文以“Nondestructive removal of superhydrophobic coatings by an electric switch”為題，發(fā)表在Nature Communications 上。

圖1 NRS涂層的設計與制備，靈感來源于蛇蛻皮。 (a) 示意圖展示了離子遷移驅動的蛇類無損蛻皮過程。 (b) 示意圖揭示了NRS涂層的設計及無損去除機理。 (c) 橫截面光學顯微鏡照片表明NRS涂層在不銹鋼片上成功構建。強大的粘附力使其難以從不銹鋼片上移除，機械去除時容易對表面造成嚴重損傷。 (d) 數碼照片顯示，施加90 V直流電壓3分鐘后，不銹鋼片上的NRS涂層易于去除，且不會對不銹鋼片造成可見損傷。

研究團隊首先通過噴涂工藝在不銹鋼片上構建了i層和e層。實驗表明，隨著e層噴涂量從0.3 mg/mm2增至2.1 mg/mm2，涂層的水接觸角從120.0°提升至151.0°，滾動角從80.7°降至9.0°，呈現(xiàn)出從Wenzel態(tài)到Cassie-Baxter態(tài)的轉變（圖2a）。當e層噴涂量達9.5 mg/mm2時，水接觸角可達165.0°，滾動角僅4.7°。為了量化去除能耗，研究定義了歸一化粘附能并計算去除效率（圖2b）。結果顯示，施加90 V電壓3分鐘后，涂層的最大推力從58.9 N降至10.0 N，位移從1.29 mm減至0.25 mm，去除效率高達99.6%（圖2c）。值得注意的是，反向電壓的去除效率為83.8%，表明[TFSI]陰離子的界面電化學反應更有利于電致去除。研究還發(fā)現(xiàn)，僅需30 V處理15分鐘、60 V處理10分鐘或90 V處理3分鐘，去除效率即可超過99%（圖2d）。即便粘附面積增至100 mm2，殘余粘附能僅0.07 kJ/m2，去除效率仍達97.9%（圖2e、f、g）。在鎳合金、鋁合金、鋅合金和馬口鐵上，該涂層的去除效率分別達到99.3%、99.2%、99.6%和99.1%，顯示出廣泛的適用性。

圖2 NRS涂層的潤濕性和去除效率(Ψ)。 (a) NRS涂層的潤濕性隨e層噴涂量的增加而提高。紅色和藍色虛線分別代表水接觸角和滾動角的惡化趨勢。 (b) 用于測量涂層粘附強度的推力測試示意圖。 (c) 推力-位移曲線顯示，施加90 V直流電壓3分鐘前后，NRS涂層的粘附強度大幅衰減。 (d) NRS涂層的Pre隨施加電壓和保持時間的增加而降低。 (e) Pre和Ψ[90V,3min]隨e層噴涂量的增加而變化。紅色和藍色虛線分別代表Pre和Ψ[90V,3min]的惡化趨勢。 (f) 直方圖顯示Pin、Pre和Ψ[90V,3min]隨i層厚度的增加而變化。 (g) 直方圖顯示Pin、Pre和Ψ[90V,3min]隨粘附面積的增加而變化。所有誤差代表至少三次獨立實驗的標準差。

在耐用性方面，含有離子液體的NRS涂層在90次磨損循環(huán)后仍保持優(yōu)異的超疏水性，而使用純環(huán)氧樹脂的涂層僅能維持50次（圖3a）。即便經歷100次磨損循環(huán)后，e層的水平表面電阻從1.3 kΩ增至200.5 kΩ，但去除效率仍超過98%（圖3b），且去除后不銹鋼片表面潔凈無損傷（圖3c）。鹽霧測試結果表明，裸馬口鐵在24小時內幾乎完全腐蝕，純環(huán)氧和i層涂層在240小時后出現(xiàn)典型腐蝕，而僅含e層或完整NRS涂層的馬口鐵在480小時后仍無任何腐蝕點，展現(xiàn)出卓越的耐腐蝕性能（圖3d）。此外，NRS涂層在3.5 wt%鹽水中浸泡48小時后，水接觸角仍達157.6°，滾動角為6.2°，初始粘附能為1.97 kJ/m2，施加電壓后殘余粘附能降至0.01 kJ/m2。

圖3 NRS涂層的可靠性評估。 (a) 使用i層和純環(huán)氧樹脂作為粘合劑的e層在磨損測試中的潤濕性。紅色和藍色虛線分別代表水接觸角和滾動角隨磨損次數的惡化趨勢；空心圓和空心方塊分別代表以i層和純環(huán)氧為粘合劑的NRS涂層和e層。 (b) NRS涂層的Re和Ψ[90V,3min]隨磨損次數的變化。紅色和藍色虛線分別代表Re和Ψ[90V,3min]的惡化趨勢。 (c) SEM圖像顯示，即使NRS涂層經歷100次磨損循環(huán)，去除后的不銹鋼表面仍然潔凈。 (d) 數碼照片評估了鹽霧測試后不同表面的耐腐蝕水平。所有誤差代表至少三次獨立實驗的標準差。

為了驗證涂層的可持續(xù)使用能力，研究團隊在10次再涂覆與去除循環(huán)中進行了測試。結果顯示，初始歸一化粘附能穩(wěn)定在2.18至3.91 kJ/m2之間，去除效率始終高于98%（圖4a）。第10次去除后的不銹鋼片表面未見任何損傷或殘留雜質（圖4b），X射線光電子能譜分析表明，新鮮不銹鋼片與第5次、第10次電致去除后的表面元素種類和峰強度幾乎一致（圖4c），僅零價金屬Fe?和Cr?的峰強度略有下降，金屬氧化物峰強度輕微降低，金屬氫氧化物峰強度略有增加（圖4d、e）。這表明[TFSI]陰離子的陽極界面電化學反應主要生成氣體，對金屬基材影響微弱。

圖4 NRS涂層的可持續(xù)性。 (a) 新制備的NRS涂層在10次再涂覆和去除循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的Pin和優(yōu)異的電致去除效率。誤差代表至少三次獨立實驗的標準差。 (b) SEM圖像顯示，即使在第10次去除后，去除的不銹鋼片表面仍然潔凈。 (c) 新鮮不銹鋼片及第5次、第10次去除后不銹鋼片的XPS全譜。 (d, e) 新鮮不銹鋼片及第5次、第10次去除后不銹鋼片的Fe 2p和O 1s高分辨XPS譜圖。

綜上，這項受蛇蛻皮無損更新啟發(fā)的電開關控制超疏水涂層，成功實現(xiàn)了涂層的高效無損去除。該涂層兼具優(yōu)異的防腐蝕性能、服役耐久性和電致無損去除特性，為失效涂層去除、新涂層再加工以及防護基材的回收利用開辟了新途徑，在綠色制造和大型裝備表面防護領域展現(xiàn)出巨大潛力。