對話中科院理化所董智超：靈感來自彈尾蟲，“MARS”織物如何實現(xiàn)讓沖鋒衣不怕洗？

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第152期，對話中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員董智超。

嘉賓簡介：

董智超，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員。2019-2022年美國化學(xué)會Langmuir雜志青年編委（全球6人，中國唯一入選人）；2020年入選中國科協(xié)青年人才托舉工程；2021年獲得基金委優(yōu)青資助；2024年獲得國家級專項經(jīng)費支持。研究方向為仿生液體繞流界面材料。

• “MARS-Fabric”的研發(fā)靈感來自自然界中的彈尾蟲，因為它的表皮天生就具有非常強悍的機械穩(wěn)定性和防水能力。

• MARS技術(shù)在纖維表面直接構(gòu)建了有序的、無氟的二氧化硅殼層。這層殼不是簡單物理堆疊，而是通過一步法原位反應(yīng)，在單根紗線纖維表面化學(xué)生長出來并緊密排列。

• 經(jīng)MARS處理的面料，在手感和體驗上就像普通棉質(zhì)衣物一樣柔軟、易于折疊收納，并且可以放心地把它扔進洗衣機常規(guī)機洗，不用擔(dān)心防水層輕易剝落。

• 誰能率先打通這條從實驗室直達大規(guī)模生產(chǎn)的智能化快車道，誰就真正登上了下一代新材料領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

愛穿沖鋒衣的朋友們總會有這樣的糾結(jié)：衣服臟了，洗，怕防水層越洗越弱；不洗，汗味和污漬又實在忍不了。

防水與耐洗，似乎天生就是一對矛盾。

但最近，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士團隊董智超研究員、郝德昭博士和中國科學(xué)院化學(xué)研究所吳磊副研究員合作，開發(fā)出了一種名為“分子組裝穩(wěn)健超疏水殼層”（MARS）的一步法技術(shù)。讓這個難題有了新的解法。

這項技術(shù)通過在纖維表面直接構(gòu)建共價鍵合的、有序且無氟的二氧化硅殼層，不需要使用離散納米顆粒或含氟化學(xué)物質(zhì)，就可以賦予天然、合成纖維持久的超疏水性能。

MARS處理在纖維階段完成，不僅保持了最終織物的透氣性、柔韌性與機械強度，還實現(xiàn)了可規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，為下一代可持續(xù)高性能拒水面料提供了全新方案。對此，搜狐科技對話了董智超研究員。

從彈尾蟲到下一代可持續(xù)高性能拒水面料

董智超稱這款面料的研發(fā)靈感，來自自然界中的彈尾蟲，因為它的表皮天生就具有非常強悍的機械穩(wěn)定性和防水能力。

“我們知道，傳統(tǒng)的超疏水面料，要么依賴含氟物質(zhì)（比如PFOA、PFAS這類全氟或多氟烷基物質(zhì)），要么靠表面附著納米顆粒，但存在著環(huán)保隱患和耐磨性差的問題，所以我們開發(fā)了一種全新的技術(shù)，叫‘分子組裝耐用超疏水殼’（MARS），很好地解決了這個問題。”

傳統(tǒng)的噴灑或浸漬工藝，就像是在布料表面刷了一層含有納米顆粒或含氟丙烯酸基的涂料，這種涂層僅僅附著在表面，受到摩擦容易脫落。而MARS技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于：它是在纖維表面直接構(gòu)建了有序的、無氟的二氧化硅殼層。

之所以叫分子組裝，是因為這層殼不是簡單物理堆疊的，而是通過一步法原位反應(yīng)，在單根紗線纖維表面化學(xué)生長出來并緊密排列的。

這項技術(shù)的核心在于“共價鍵合”，二氧化硅殼層與纖維表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了堅固的化學(xué)鍵，所以它就像牢牢“長”在纖維上一樣。

“在不使用含氟物質(zhì)的情況下，我們在硅殼上接枝了無氟的長鏈烷基，把表面能降得很低。再結(jié)合殼層本身獨特的微觀結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了極低的表面能和持久的超疏水效果。”董智超如是說。

正因為這些特點，這項研究被稱作“下一代可持續(xù)高性能拒水面料”。像Gore-Tex這類現(xiàn)有的高性能拒水面料（膨體聚四氟乙烯膜），薄膜技術(shù)確實很優(yōu)秀，但在水洗耐久性、絕對透氣性和柔軟度上還有短板。

而MARS-Fabir的處理是在纖維階段完成的，可以直接應(yīng)用在各種天然或合成纖維上，既保留了織物原有的透氣性、柔韌性和機械強度，又填補了日常服飾、高頻洗滌裝備中既要極致柔軟透氣、又要持久防水無氟的應(yīng)用空白。

在董智超看來，現(xiàn)在全球?qū)FAS的限制越來越嚴(yán)，對防水面料行業(yè)來說，既是巨大的挑戰(zhàn)，更是推動產(chǎn)業(yè)底層升級的機遇。

“PFAS法令馬上就要落地了。我們希望擺脫對離散納米顆粒和含氟化學(xué)物質(zhì)的依賴，用最簡單的方法重現(xiàn)這種天然的穩(wěn)健結(jié)構(gòu)，從而真正解決耐久與環(huán)保無法兼顧的行業(yè)痛點。”

柔軟、易于折疊收納，可以扔洗衣機常規(guī)機洗

談到這，大家最好奇的問題肯定是：用MARS技術(shù)做的沖鋒衣，手感和使用體驗跟傳統(tǒng)沖鋒衣有什么不同？

對此，董智超解釋道：“傳統(tǒng)沖鋒衣偏硬且怕洗，很大程度是因為表面的涂層或薄膜限制了它的物理特性，而經(jīng)MARS處理的面料，因為去除了粘合劑且不堵塞孔隙，徹底保持了纖維和織物原本的柔韌性與透氣性。”

“所以在手感和體驗上，它就像普通棉質(zhì)衣物一樣柔軟、易于折疊收納，并且可以放心地把它扔進洗衣機常規(guī)機洗，不用擔(dān)心防水層輕易剝落。”

這對戶外愛好者來說，無疑是個好消息。

董智超團隊還對MARS處理后的面料進行了“極限挑戰(zhàn)”，測試標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于行業(yè)要求。比如，水滴以高達11.6米/秒的極高速度撞擊，面料依然保持穩(wěn)定的防水性；在2.4米/秒的連續(xù)水滴撞擊8萬次后，超疏水性能依舊不減。經(jīng)過20次標(biāo)準(zhǔn)洗滌后，防水等級仍能保持在4.5級。

而且由于殼層是通過共價鍵合的，它在機械磨損和復(fù)雜的酸堿環(huán)境下，展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)涂層的堅固與穩(wěn)定。

不過，MARS技術(shù)在纖維表面構(gòu)建了殼層，會不會堵塞纖維之間的孔隙？處理后的織物，怎么實現(xiàn)“潑水不進”又“透氣不悶”？

“這是一個非常關(guān)鍵的工程細(xì)節(jié)。MARS構(gòu)建的共價鍵合殼層是納米級且精準(zhǔn)包裹在單根紗線纖維表面的，相較于微米尺寸的織物纖維間孔隙，MARS的厚度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)堵塞不了的。潑水不進是因為單根纖維表面具有極強的超疏水也就是拒水性；而透氣不悶則是保留了原本紗線之間的物理孔道，讓汗氣和水蒸氣可以自由穿透。”董智超如是說。

不僅如此，董智超稱這種技術(shù)相較于傳統(tǒng)需要多道工序，甚至需要特殊含氟廢水處理環(huán)節(jié)的復(fù)雜工藝，在流程上實現(xiàn)了大幅度簡化，這也就意味著它具備極強的可規(guī)模化生產(chǎn)潛力。

在現(xiàn)有的紡織工業(yè)產(chǎn)線上，它可以通過類似于常規(guī)浸軋的工藝接入，不需要進行顛覆性或高昂的設(shè)備改造，就能在纖維階段完成處理，有效降低了綜合制造成本。

不過，在研究過程中，董智超也遇到了很多困難，用他的話來說，最大的問題只有一個字：“新”。

“因為之前沒有人做過單纖維的超疏水處理，所以我們設(shè)計了很多實驗方法，甚至自己開發(fā)了新的儀器測試手段，就為了能看清一根比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維到底有沒有達到超疏水效果。”

更難的是，他們還要讓二氧化硅老老實實地在每根纖維表面長出一層均勻的“殼”，而不是在溶液里自己亂聚成無用的離散納米顆粒。

在試了無數(shù)次配方、調(diào)了無數(shù)遍反應(yīng)條件之后，終于找到了那個剛剛好的平衡點。這樣一來，分子組裝就能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)剡M行，最終做出不含氟、原位生長且共價鍵合的堅固殼層。

借助AI，實現(xiàn)向應(yīng)用端的高效“跨越”

那么，除了沖鋒衣、帳篷等傳統(tǒng)戶外裝備，這項技術(shù)還有哪些潛在的應(yīng)用場景呢？

對此，董智超表示：“由于MARS能賦予天然與合成纖維持久的超疏水性能，同時不損失透氣和柔韌性，應(yīng)用廣度非常大。”

像抗血液和體液飛濺的醫(yī)用防護服、耐臟污的自清潔家居內(nèi)飾，以及需要在惡劣環(huán)境下保持輕量化防水透氣的特種軍服等等。不僅如此，在柔性可穿戴設(shè)備、航空航天防結(jié)冰等高精尖領(lǐng)域也同樣擁有巨大的應(yīng)用潛力。

雖然MARS技術(shù)已經(jīng)充分證明了可規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，但也面臨著許多挑戰(zhàn)。如何在大規(guī)模、連續(xù)化的生產(chǎn)線中，保證這種微觀殼層在寬幅織物上的均勻性和一致性，是最主要的挑戰(zhàn)。

“幸運的是，我們實驗室長期從事交叉學(xué)科研究，具備一定的工程化自研設(shè)備的能力，目前也正在通過數(shù)字化模擬輔助我們優(yōu)化和解決這一工程放大難題。”董智超如是說。

談及未來五到十年，仿生超浸潤界面領(lǐng)域下一個要攻克的“珠穆朗瑪峰”是什么時，董智超很坦誠地說，其實不只是這個領(lǐng)域，很多新技術(shù)面臨的下一座高峰都一樣——就是如何像大自然那樣，用超低的能耗去構(gòu)造物質(zhì)，同時加快從概念到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。

這個“珠穆朗瑪峰”其實已經(jīng)不再局限于某一種具體的材料性能指標(biāo)，而是研發(fā)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化路徑的根本性變革。

過去，一個新材料從實驗室里好的概念、好的樣品，走向工廠大規(guī)模量產(chǎn)，中間隔著一條漫長又充滿試錯的“死亡之谷”：工程放大、成本控制、良品率……每一步都可能卡住。

而且科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往來自閑聊或者突然的靈感爆發(fā)，但技術(shù)應(yīng)用不一樣。在研發(fā)和放大的初期，就得把環(huán)保法規(guī)，比如前面提到的去氟化政策、產(chǎn)業(yè)政策、生產(chǎn)安全、材料本身的理化特性，還有最終的商業(yè)成本，所有這些復(fù)雜維度提前考慮進來。

董智超認(rèn)為，從目前來看，AI的來臨將是一場深刻的思想解放和生產(chǎn)力解放。人類的好奇心和大腦能提供新的idea，而AI恰好擅長對這些idea進行推演和驗證。

我們的終極目標(biāo)，是讓基礎(chǔ)科學(xué)里誕生的新概念、新成果，能夠借由AI的賦能，跳過傳統(tǒng)材料學(xué)中極其艱難、耗時的中間工程化試錯過程，直接實現(xiàn)向?qū)嶋H應(yīng)用端的高效跨越。

“誰能率先打通這條從實驗室直達大規(guī)模生產(chǎn)的智能化快車道，誰就真正登上了下一代新材料領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’。”董智超如是說。

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