类型a：这篇文档报告了一项原创研究。

主要作者与机构及发表信息
该研究的主要作者包括张亮培（Liangpei Zhang）、万霞（Xia Wan）、周旭（Xu Zhou）、曹艳林（Yanlin Cao）、段慧玲（Huiling Duan）、颜佳乐（Jiale Yan）、李洪远（Hongyuan Li）和吕鹏宇（Pengyu Lv*）。研究由北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室和崂山实验室完成。论文于2024年8月7日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

学术背景
本研究属于材料科学与流体力学交叉领域，专注于超疏水表面（superhydrophobic surfaces）在水下减阻（underwater drag reduction）中的应用。随着雷诺数（Reynolds number）的增加，传统超疏水表面的减阻效果会显著下降，甚至可能因气垫（air mattress）崩溃而导致阻力增加。这一现象的原因在于剪切流（shear flow）、静水压力（hydrostatic pressure）以及气体扩散等因素导致气垫丧失稳定性。为了克服这些问题，本研究开发了一种具有楔形微槽（wedged microgrooves）的金字塔形超疏水表面，旨在提高气垫的稳定性和恢复能力，从而实现高效的水下减阻。

研究的目的是设计一种能够在高雷诺数条件下维持气垫稳定性的超疏水表面，并通过实验验证其减阻性能和抗污性能。研究还探讨了这种表面在实际应用中的潜力，特别是在船舶工程和流体工程中的潜在价值。

详细研究流程
本研究主要包括以下几个步骤：

1. 样品制备

   • 使用3D打印技术制作金字塔形基底，每层厚度为20 μm，曝光时间为2秒，光强为40%。打印完成后，基底经过两次异丙醇浸泡清洗并用高纯氮气干燥，随后用紫外线照射10分钟以固化。
   • 制备超疏水涂层溶液：将纳米二氧化硅（nano silica）、微米二氧化硅（micron silica）和SEBS聚合物溶解在乙酸乙酯中，搅拌12小时后均匀喷涂到金字塔形基底上，喷射压力为0.20 MPa，距离约为15 cm。

2. 表征与测试

   • 形态表征：使用场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面微观结构。
   • 润湿性测试：通过接触角测量系统分析样品的接触角和滚动角，每次测试使用5 μl去离子水滴，重复5次取平均值。
   • 耐磨性测试：采用砂纸磨损实验评估样品的耐磨性，每次循环包括水平和垂直移动10 cm，记录接触角和滚动角的变化。
   • 液滴冲击测试：通过高速摄像机记录不同高度释放的水滴对样品表面的冲击行为。
   • 静水压力测试：将样品置于定制的压力容器中，逐步增加压力，观察气液界面的变化。
   • 气垫恢复测试：用注射器移除样品表面的气垫后，通过空气注入观察气垫的恢复过程。
   • 减阻测试：构建一个由两块聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）组成的通道，测量不同流速下的压降，计算减阻率。
   • 抗污性能测试：将样品浸入藻类溶液中6小时，观察藻类附着情况，评估抗污性能。

3. 数据分析

   • 压降数据用于计算减阻率，公式为 ( DR = \frac{P{control} - P}{P{control}} \times 100\% )，其中 ( P_{control} ) 为参考表面的压降，( P ) 为测试表面的压降。
   • 雷诺数通过公式 ( Re = \frac{ud_h}{\nu} ) 计算，其中 ( u ) 为流速，( d_h ) 为水力直径，( \nu ) 为流体运动粘度。

主要结果
1. 样品特性
- SEM图像显示，喷涂后的超疏水涂层保留了金字塔形结构的层次感，接触角达到约162.1°，表现出优异的超疏水性。 - 砂纸磨损实验表明，金字塔形结构的顶部被磨平后，底层结构和超疏水涂层仍保持完整，显示出良好的耐磨性。

1. 气液界面稳定性

   • 在静水压力测试中，金字塔形超疏水表面在高达3000 mbar的压力下仍能维持气垫，而平面超疏水表面则完全丧失气垫。
   • 气垫恢复实验表明，金字塔形表面能够通过空气注入实现气垫的均匀恢复，而平面表面仅能在局部区域扩展气垫。

2. 减阻性能

   • 在层流条件下，无空气注入的金字塔形超疏水表面减阻率为38.2%，而连续空气注入后减阻率提升至64.8%。
   • 在湍流条件下，连续空气注入的减阻率为50.6%，而平面超疏水表面仅为8.5%。
   • 耐磨性测试后，金字塔形表面仍能保持较高的减阻率，证明其在实际应用中的稳定性。

3. 抗污性能

   • 藻类附着实验显示，金字塔形超疏水表面的抗污性能达到97.9%，显著优于平面亲水表面。

结论与意义
本研究表明，金字塔形超疏水表面在水下减阻和抗污方面具有显著优势。其独特的微槽结构不仅提高了气垫的稳定性，还增强了表面的耐磨性。实验结果表明，该表面在层流和湍流条件下的减阻率分别达到64.8%和50.6%，并且能够有效防止97.9%的藻类附着。这些发现为船舶工程和流体工程提供了重要的技术支持，具有广泛的应用前景。

研究亮点
1. 重要发现：金字塔形超疏水表面能够在高静水压力下维持气垫，并通过空气注入实现气垫的快速恢复。 2. 方法创新：结合3D打印技术和喷涂工艺，成功制备了具有楔形微槽的金字塔形超疏水表面。 3. 目标特殊性：研究对象针对高雷诺数条件下的水下减阻问题，填补了现有研究的空白。

其他有价值内容
本研究还探讨了超疏水表面在抗污领域的应用潜力，为未来多功能表面的设计提供了新的思路。