说明书多功能抗性材料
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年7月13日提交的美国专利申请号61/671,442、2012年7月13日提交的美国专利申请号61/671,645和2012年7月19日提交的美国专利申请号61/673,705的较早申请日的权益，这些专利的全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及以下与此同日提交的共同未决的申请：
与此同日提交的题为“SELECTIVE WETTING AND TRANSPORT SURFACES”的国际申请；
与此同日提交的题为“SLIPS SURFACE BASED ON METAL-CONTAINING COMPOUND”的国际申请；
与此同日提交的题为“MULTIFUNCTIONAL REPELLENT MATERIALS”的国际申请；
这些申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请的领域通常涉及光滑面、形成它们的方法和它们的用途。
关于在联邦资助的研究中政府权利的声明
本发明在由美国空军授予的FA9550-09-1-0669-DOD35CAP和美国能源部授予的DE-AR0000326的政府支持下进行。该政府在本发明中具有确定的权利。
背景技术
当前发展的抗液体表面是受动物、昆虫和植物的多种自然表面的自清洁能力的启发。在这些自然表面上的水滴容易滚落和滑落，带走灰尘或昆虫。在许多这些自然表面上存在的微/纳米结构被归因于防水功能。由于其广泛的潜在应用，从防水纤维织物到摩擦下降的表面，在过去的十年里，这些观察已引起制 造仿生防水表面的巨大兴趣。
发明内容
描述了具有选择性润湿和运输性能的抗液体表面及其在多个领域的应用。在某些实施方案中，这些抗液体表面除了润湿和运输性能外还具有附加的功能。
在一个方面，公开的主题包括具有抗性表面的物体，其包括含具有大于100线程/cm2的编织密度的织物材料的基底和润湿并粘附于所述织物表面形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述稳定的液体覆盖层以足够的厚度覆盖织物材料以在所述织物材料上形成液体上表面，其中所述织物材料被化学功能化以增强与所述润滑剂的化学亲和力以使所述润滑剂充分固定在织物材料上以形成抗性表面。
在另一方面，公开的主题包括，具有抗性表面的光学物体，其包括表面具有透明或半透明材料的基底、支撑基底的壳体和润湿并粘附于所述织物表面形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述稳定的液体覆盖层以足够的厚度覆盖织物材料以在所述表面上形成液体上表面，其中所述表面和所述润滑剂彼此之间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，其中所述壳体浸润有所述润滑剂以补充所述润滑剂至所述基底上。
在另一方面，公开的主题包括具有抗性内表面的物体，其包括含内表面的容器以容纳复杂流体；和在所述容器内的具有液体和一种或多种其它成分的复杂流体；其中所述液体润湿和粘附至所述内表面以形成稳定的液体覆盖层，其中所述稳定的液体覆盖层以足够的厚度覆盖所述内表面以在所述内表面上形成液体表面，其中所述内表面和所述液体具有亲和力以使所述液体充分固定在所述内表面上以形成抗性表面，所述抗性表面排斥所述复杂流体内的其它成分。
在另一方面，公开的主题包括膜状物体，其包括含顶面、底面和多个通孔的膜基底，和润湿并粘附于所述顶面、所述底面和环绕多个通孔的内壁形成预处理层的低表面张力流体，和沉积在预处理层上以形成保护层的流体，所述保护层对所述膜基底提供抗性表面，其中所述膜基底、所述预处理层和所述保护 层彼此间具有亲和力以使所述保护层充分固定在所述膜基底上以形成所述抗性表面。
在另一方面，公开的主题包括用于运载流体流的物体，其包括含粗化表面的基底和润湿并粘附至所述粗化表面以形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述稳定的液体覆盖层以足够的厚度覆盖所述粗化表面以在所述粗化表面顶部形成液体上表面，其中所述粗化表面和所述润滑剂彼此间具有亲合力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成光滑面，所述光滑面减少流体流的拖曳和摩擦
在另一方面，公开的主题包括用于保护金属或金属化的表面不被腐蚀的方法，所述方法包括提供金属或金属化的表面，引入粗糙度和化学功能化所述金属或金属化的表面以增强所述金属表面和润滑剂的亲和力并引入所述润滑剂以润湿和粘附于所述金属或金属化的表面以形成覆盖层，其中所述金属或金属化的表面与所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，对所述金属或金属化的表面提供防腐蚀性。
在另一方面，公开的主题包括用于保护表面不结垢的方法，所述方法包括提供表面，引入粗糙度，并化学功能化所述表面以增强所述表面与润滑剂的亲和力，并引入所述润滑剂以润湿和粘附于所述表面以形成覆盖层，其中所述表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，对金属表面提供抗结垢性。
在另一方面，公开的主题包括具有抗性表面的物体，其包括含粗化表面的基底，润湿并粘附于所述粗化表面以形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述液体以足够的厚度覆盖所述粗化表面以在所述粗化表面上形成液体上表面，和位于所述基底和/或所述润滑剂内部的香味增强剂，其中所述粗化表面和所述润滑液彼此间具有亲和力以使所述润滑液充分固定在所述基底上以形成抗性表面。
在某些实施方案中，所述粗化表面和/或所述液体具有不止一个可切换以增 强或减弱所述表面和所述润滑液之间的亲和力的化学状态。
在另一方面，公开的主题包括具有抗性表面的物体，其包括具有粗化表面的基底和润湿并粘附于所述粗化表面以形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述液体以足够的厚度覆盖所述粗化表面以在所述粗化表面上形成液体上表面，其中所述粗化表面和所述润滑液彼此间具有亲和力以使所述润滑液充分固定在所述基底上以形成抗性表面，其中所述粗化表面包括微尺度或纳米尺度结构。
在某些实施方案中，所述基底包括多个嵌入在环氧介质中的纳米纤维或纳米管。
在另一方面，公开的主题包括具有抗性表面的物体，其包括含至少部分粗化表面的基底和润湿并粘附于所述粗化表面以形成动力学稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述液体以足够的厚度覆盖所述粗化表面以在所述粗化表面上形成液体上表面，其中所述粗化表面或部分所述粗化表面和所述润滑液彼此间具有亲和力以使所述润滑液充分固定在所述基底上以形成抗性表面。所述亚稳态阻止所述液体热力学上有利的位移至少一定的时间。
在另一方面，公开的主题包括用于蒸汽收集的方法，所述方法包括提供固体表面，引入粗糙度，化学功能化所述固体表面以增强所述表面与润滑剂的亲和力，引入所述润滑剂以润湿并粘附于所述固体表面以形成覆盖层，其中所述固体表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，并冷凝在所述抗性表面上的冷凝物液滴用于液体收集。
在另一方面，公开的主题包括具有抗性表面的物体，其包括含粗化表面的基底和润湿并粘附于所述粗化表面以形成稳定的液体覆盖层的润滑剂，其中所述液体以足够的厚度覆盖所述粗化表面以在所述粗化表面上形成液体上表面，其中所述粗化表面和所述润滑液彼此间具有亲和力以使所述润滑液充分固定在所述基底上以形成抗性表面，其中所述基底是滑雪橇、单雪橇、冲浪板，气垫船、冬季运动项目或水上运动项目的组成部分。
在另一方面，公开的主题包括用于保护塑料、玻璃、陶瓷、复合材料表面不结垢的方法，所述方法包括提供所述固体表面，引入粗糙度、化学功能化所述表面以增强所述表面与润滑剂的亲和力，和引入所述润滑剂以润湿并粘附于所述表面以形成覆盖层，其中所述表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，对所述表面提供抗结垢性。
在另一方面，公开的主题包括用于保护塑料、玻璃、陶瓷、复合材料表面不被涂鸦的方法，所述方法包括提供所述固体表面，引入粗糙度、化学功能化所述表面以增强所述表面与润滑剂的亲和力，和引入所述润滑剂以润湿并粘附于所述表面以形成覆盖层，其中所述表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，对所述表面提供抗涂鸦性能。
在另一方面，公开的主题包括用于形成抗性表面的方法，所述方法包括提供具有表面的基底，沉积具有电荷的第一材料至所述表面上，沉积具有与第一材料的电荷相反的电荷的第二材料，连续地重复所述沉积第一材料和所述沉积第二材料以提供粗化表面，和引入润滑剂以润湿和粘附于所述粗化表面以形成覆盖层，其中所述粗化表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面。
在另一方面，公开的主题包括降低对流体和固体摩擦的方法，所述方法包括提供所述固体表面，引入粗糙度，化学功能化所述表面以增强所述表面和润滑剂间的亲和力，和引入所述润滑剂以润湿并粘附于所述表面以形成覆盖层，其中所述表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述基底上以形成抗性表面，对所述表面提供抗涂鸦性能。
在另一方面，公开的主题包括降低对流体和固体粘附的方法，所述方法包括提供所述固体表面，引入粗糙度，化学功能化所述表面以增强所述表面和润滑剂间的亲和力，和引入所述润滑剂以润湿并粘附于所述表面以形成覆盖层，其中所述表面和所述润滑剂彼此间具有亲和力以使所述润滑剂充分固定在所述 基底上以形成抗性表面，对所述表面提供抗涂鸦性能。
附图说明
提供下图仅为了说明的目的，并不是为了限制。
图1示出了依据本发明的某些实施方案自修复的光滑的液体注入的多孔表面(SLIPS)的示意图。
图2示出了依据本发明的某些实施方案生成SLIPS的总体方案。
图3A-3B示出了依据本发明的某些实施方案热力学稳定的SLIPS和动力学稳定的(亚稳定的)SLIPS的比较。
图3C进一步说明了示例性的亚稳定的SLIPS态。
图4A-4B示出了一种示例性的氟化液体B在(A)平整表面和(B)纳米结构表面上的润湿行为。
图5A示出了在其上形成光滑面的示例性的柱状多孔材料的示意图。
图5B示出了在其上形成光滑面的示例性的反蛋白石多孔材料的示意图。
图5C示出了在其上形成光滑面的示例性的随机网络多孔材料的图像。
图5D示出了依据本发明的某些实施方案由溶剂干燥诱导的示例性的自组装聚合微结构的图像。
图5E示出了在其上形成光滑面的示例性的结构化表面的示意图。
图6示出了依据某些实施方案重现所述SLIPS表面形貌的复型过程，其中所对应的表面特征表明SLIPS的超平滑性。
图7A示出了依据某些实施方案证明自修复性质的SLIPS的图像，其中所述自修复时间尺度大约100ms。
图7B为显示依据某些实施方案，在受到严重物理损伤后(测试液体＝癸烷，γLV＝23.6±0.1mN/m)抗液体功能恢复的图。
图7C示出了依据某些实施方案证明在物理损伤后SLIPS的抗液体性恢复的延时图像，相对于其上油固定保持在损伤部位的典型的疏水平整表面。
图7D说明了根据某些实施方案的自再填(self-refilling)机制。
图8、图9A-9C示出了一些示例性的常规的天然和合成纤维织物体系。
图10A-10C示出了根据某些实施方案的用于抗多种复杂流体和高温流体的功能服装的SLIPS纤维织物。
图11示出了在60℃水上的烟雾测试照片。
图12示出了用于显微镜的无雾光学可见盖的示意图。
图13为根据某些实施方案包裹在含润滑剂的O型环中作为蓄水池的圆形光学器件的示意图。
图14示出了根据某些实施方案的镜头保护装置的照片。
图15进一步示出了根据某些实施方案的抗反射的镜头保护装置的照片。
图16A示出了多种材料的监管部门批准图。
图16B和16C示出了根据某些实施方案的排斥复杂食物产品如番茄酱、沙拉酱和燕麦粥的经SLIPS处理的瓶子和容器。
图16D示出了根据某些实施方案经SLIPS处理的排斥冰的冰块盘子。
图17为显示根据某些实施方案使用香味/风味增强的润滑剂生产光滑面的不同方法的示意图。
图18示出了根据某些实施方案内部涂层管上的由流体作用产生的压降。
图19示出了未处理的Al(左)和SLIPS涂覆的Al(右)在室温下浸在1MKOH溶液中的时间推移，显示了未处理的铝的快速降解而被涂覆的Al基本保持不变。
图20显示了根据某些实施方案涉及在常规疏水表面和SLIPS上水滴的成核、凝聚和滑动的步骤。
图21和图22示出了根据某些实施方案可作为抗涂鸦表面的SLIPS处理的表面。
图23A示出了根据某些实施方案逐层沉积过程以形成多孔、润滑剂注入的涂层的示意图。
图23B示出了根据某些实施方案二氧化硅涂层的SEM图像，显示了随着涂 层循环的增加沉积的颗粒增加。
图24A示出了根据某些实施方案证明各连续的逐层吸附循环的沉积质量增加的曲线，由通过石英晶体微天平测得的频率下降使用Sauerbrey公式计算。
图24B示出了由QCM-D数据计算的在各吸附循环中沉积在所述基底上的二氧化硅纳米颗粒的数目(灰色)和在全部过程中累积的数目(黑线)的曲线。根据某些实施方案可见所有涂层相对于标准载玻片观察到透光率的增加。
图24C示出了在二氧化硅纳米颗粒涂层煅烧和氟硅烷化后经润滑的样品的UV-Vis-NIR透射光谱。根据某些实施方案随着沉积层数目的增加，所有涂层相对于标准载玻片观察到透光率的增加。
图25A和图25B示出了10μL的水滴(a)和辛烷微滴(b)在干燥和润滑状态对于直至9个沉积层的涂层的排斥性。根据某些实施方案所述润滑的样品大大优于未涂覆的(0层)和干的、涂覆的基底，且以对这两种液体非常小的滑动角为特征。
图25C和图25D示出了根据某些实施方案在具有5个不固定在基底上的沉积的二氧化硅纳米颗粒层的润滑基底上2°角下水(a)和辛烷微滴(b)滑动的时间推移图片。
图26A-26D根据某些实施方案比较了由未处理的(上列)和润滑的逐层自组装的SiO2纳米颗粒涂覆的表面(下列)使用a)在玻璃瓶内部使用蜂蜜；b)在玻璃管内部使用原油；c)辛烷滑下不锈钢表面；d)辛烷滑下聚甲基丙烯酸甲酯表面得到的时间推移图片。
图27A-27D显示了根据某些实施方案水和十六烷对于在PDMS基底上使用逐层自组装方法形成的SLIPS的接触角滞后和滑动角。
图28显示了根据某些实施方案作为所应用的张力的函数的滑动角。
图29A-29D示出了根据某些实施方案由勃姆石纳米纤维制备的多孔“纸”。
图29E示出了根据某些实施方案具有一些团聚颗粒的单个溶剂热合成的勃姆石纳米纤维的TEM图。
图29F示出了根据某些实施方案滴铸在铜导电胶带上的捆绑的勃姆石纳米纤维的SEM图。
图30A和30B示出了根据某些实施方案在等离子刻蚀之前分散在含氧树脂基质内的多壁碳纳米管的(A)顶视图和(B)横截面的HR-SEM图像。
图31A示出了根据某些实施方案产生表面功能化的铝颗粒(AlNPs)用于纳米复合材料中的填充材料的示例性方法。
图31B示出了根据某些实施方案在不同处理时间使用Fenton化学记录的AlNPs的O-H伸展模式的标准化FTIR吸收光谱。
图32示出了根据某些实施方案润滑的纳米结构纤维织物(SLIPS纤维织物)的方案设计原则。
图33示出了根据某些实施方案不同纤维织物的编制模式的SEM图。
图34示出了根据某些实施方案在多种不同处理后纤维织物的SEM图。
图35A示出了根据某些实施方案所有不同功能化的纤维织物的静态接触角数据。
图35B示出了根据某些实施方案所有不同功能化的纤维织物的接触角滞后数据。
图36示出了根据某些实施方案用于确定一组功能化纤维织物的稳健性的扭曲实验结果。
图37根据某些实施方案示出了SLIPS处理的纤维织物的跌落冲击特性。
具体实施方式
本文引用的专利和科学文献确定了本领域技术人员可用的知识。本文引用的已公布的美国专利、已许可的申请、已出版的外国申请和参考文献通过引用相同的内容并入，如同各个被特别地和单独地表明通过引用并入本文。
为方便起见，这里搜集在本说明书、实施例和权利要求中使用的某些术语。除非另有定义，在本公开内容中使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的技术人员常规理解相同的意思。除非另有说明，本公开内容中提供 的为一个组或术语提供的初始定义在整个本公开内容中单独或作为另一个组的一部分应用于所述组或术语。
本公开内容描述了这里被称为光滑的液体注入的多孔表面(SLIPS)的光滑面。在某些实施方案中，本公开内容的光滑面具有物质排斥、拖曳减少、抗粘附和防污染性能。本公开内容的所述光滑面能阻止多种材料的粘附。不粘贴在所述表面上的示例性材料包括液体、固体和气体(或蒸汽)。例如，可排斥液体例如水、油基涂料、碳氢化合物及它们的混合物，有机溶剂，复杂流体如原油、含复杂生物分子(如蛋白质、糖、脂类等)的流体和生物细胞等。所述液体可为纯液体和复杂流体。在某些实施方案中，SLIPS可被设计为憎恶一切物质的(omniphobic)，其中SLIPS同时具有疏水和疏油性能。如另一个实施例，可排斥或轻易清除固体例如细菌、昆虫、真菌等。如另一个实施例，可排斥或轻易清除固体例如冰、纸、便利贴、或含有无机颗粒的涂料、粉尘颗粒。在均在2012年1月19号提交的国际专利申请号PCT/US2012/21928和PCT/US2012/21929和均在2012年7约13号提交的美国临时专利申请61/671,442和61/671,645中讨论了SLIPS表面，其内容通过引用全文并入本文。
本文公开的可防止粘附于所述光滑面的这些材料在本文被称为“物体A”。液体形式的物体A被称为“液体形式物体A”，或“液化的物体A”，或“液体A”。固体形式的物体A被称为“固体形式物体A”，或“固化的物体A”，或“固体A”。气态/蒸汽态形式的物体A被称为“气态形式物体A”，或“气态物体A”。在某些实施方案中，物体A可包括固体和流体的混合物(即与固体混合的气体/蒸汽/液体；例如空气中的颗粒，或液体中的颗粒)。在一些实施方案中，物体A可包括气体/蒸汽和液体的混合物。
本公开内容的光滑面可排斥多种材料。例如，物体A可包括极性和非极性液体A，它们的混合物，和它们的固化形式，如碳氢化合物和它们的混合物(例如，从戊烷直至十六烷和矿物油、石蜡超轻质原油、石蜡轻质原油、石蜡轻质中等原油、石蜡环烷基中等原油、环烷基中等重质原油、芳香族调节的中等重 质原油、芳香环烷重质原油、芳香柏油原油等)、酮类(例如丙酮等)、醇类(例如甲醇、乙醇、异丙醇、高级醇、丙二醇、二丙二醇、乙二醇和丙三醇等)、水(具有宽范围的盐度，例如含0-6.1M的氯化钠或溴化钠，0-4.6M的氯化钾和溴化钾，对结垢具有高亲和力的水，如具有高浓度的Mg和Ca离子等)、酸(例如浓缩的氢氟酸、盐酸、硝酸等)和碱(例如氢氧化钾、氢氧化钠等)和冰等。物体A可包括生物物体，例如昆虫、小动物、原生动物、细菌、病毒、真菌、体液和粪便物、组织、生物分子(如蛋白质、糖类、脂类等)，等等。物体A可包括气体，例如天然气、空气或水蒸汽。物体A可包括悬浮在液体中的固体颗粒。物体A可包括悬浮在气体中的固体颗粒。物体A可包括非生物物体，例如灰尘、胶态悬浮液、喷漆、食品物品、常规的家庭材料等等。物体A可包括粘合剂和粘合膜。所列举的内容旨在为示例性的且预期所本公开内容的光滑面成功排斥多种其它类型的材料和材料组合。
在某些实施方案中，本公开内容的所述光滑面具有低于聚四氟乙烯(PTFE或TeflonTM)表面的摩擦系数。在某些实施方案中，所述摩擦系数可低于0.1，低于0.5，或甚至低于0.4。在某些实施方案中，可通过彼此相对滑动两种不同的表面测量所述摩擦系数。所述摩擦系数的值应与负荷无关。摩擦力可取决于应用在所述表面上的负荷、滑动速度和表面材料。例如，一个参考的表面，例如抛光的钢可用于相对于目标表面例如聚四氟乙烯滑动，或本公开内容的SLIPS可用于相对其自身滑动(例如SLIPS/SLIPS)，以得到所述摩擦系数(静态的和动态的)。
图1示出了光滑的液体注入的多孔表面(SLIPS)的总体设计示意图。如图所示，所述物体包括具有提供一定粗糙度(即粗化表面)的表面特征110的固体表面100和应用在其上的液体B120。液体B润湿所述粗化表面，填充所述粗化表面的凸处(hills)、凹处(valleys)和/或孔，并在所述粗化表面上形成超光滑面130。由于使用液体B润湿所述粗化表面形成的超光滑表面并形成平的液体覆盖层，物体A140不粘附于所述表面。
在某些实施方案中，所述表面特征110可被一种或多种进一步促进液体B120粘附于表面特征110的功能部分150功能化。在某些实施方案中，所述功能部分150可与液体B120的化学性质类似。在某些实施方案中，所述表面特征可被一种或多种疏水的功能部分150功能化。
在一些实施方案中，所述液体B跟随所述粗化表面的形貌(例如，代替形成覆盖所有纹理结构的光滑层)。例如液体B可跟随所述粗化表面的形貌，如果所述覆盖层的平衡厚度小于纹理的高度。
可基于润滑液和固体间匹配的表面能量设计SLIPS(即形成不易被其它不相混的流体取代的稳定的润滑膜)。在一些实施方案中，可基于至少下面的三个因素设计SLIPS：1)所述润滑液(液体B)可注入、润湿和稳定粘附在所述粗化表面内；2)所述粗化表面可优选被所述润滑液(液体B)润湿，而不是被物体A、被排斥的复杂流体或不需要的固体(物体A)润湿；和3)所述润滑液(液体B)和被排斥的物体或液体(物体A)可为不相混的且彼此间可无化学作用。这些因素可设计为永久的或持续时间足以达到SLIPS表面的期望寿命或服务时间或直至完成部分消耗的注入液体再运用的时间。
可通过使用微结构的和/或纳米结构的粗糙基底满足所述第一因素(可注入、润湿和稳定粘附在所述粗化表面内的润滑液(液体B))，所述微结构的和/或纳米结构的粗糙基底的大表面积结合对液体B的化学亲和力可促进所述润滑液体的完全润湿和粘附。更特别地，可选择所述粗糙表面的粗糙度R以使R≥1/cosθBX，其中R定义为所述表面的实际面积和投影面积的比值，且θBX为液体B在浸在介质X(X＝水/空气/其它不相混的流体介质)下的平的固体介质上的平衡接触角。R因子可在1至无穷大间变化。在某些实施方案中，R可为大于或等于1的任一值，例如1(平的，光滑的表面)、1.5、2.5，或甚至更高。
通常通过化学功能化或将具有非常高亲和力的涂层应用到液体B和固体上实现所述液体B稳定粘附在下面的固体上，从而在所述液体B和所述固体间产生稳定的化学或物理结合。
为满足所述第二因素(所述粗化表面可优选被所述润滑液(液体B)润湿，而不是被所述液体、被排斥的复杂流体或不需要的固体(物体A)润湿)，可确定基底和润滑剂工作组合所需的化学和物理性质。该关系可根据亲和力定性描述；为确保要被排斥的物体A(流体或固体)保持在所述润滑液的稳定的润滑膜上部，所述润滑液必须具有比要被排斥的材料更高的对于所述基底的亲和力。该关系可被描述为“稳定”区。如上所述，对于“稳定”区的这些关系可被设计以永久满足或满足所需的时间，例如寿命、服务时间或直至完成部分消耗的注入液体的补充/再运用的时间。为了形成稳定的(或积极有利的)液体B-固体界面，需满足下面的条件：
ΔE0＝γAS–γBS＝γBXcosθBX–γAXcosθAX>0 (式0)
其中γAS和γBS分别为固体-液体A和固体-液体B界面的界面张力；γBX和γAX分别为润滑液(液体B)和其它不相混流体(液体A)与介质X的界面张力；θBX和θAX分别为液体B和液体A在介质X下的固体上的接触角，其中X可为空气或其它与所述固体、液体A和液体B不相混的相。所述条件包括动力学稳定的和热力学稳定的SLIPS。同时，参见图3A和3B。
对于不满足式0的某些组合将形成动力学稳定的SLIPS，其中(i)如果液体A比液体B具有更高的对所述固体表面的亲和力(换句话说，如果需要附加的能量损耗以形成液体B-液体A界面)，随着时间t的推移，液体B-固体界面可逐渐被液体A-固体界面取代；或(ii)如果液体A和B随时间推移表现出一定的降解所述光滑的界面质量的反应性或相容性。如果所述SLIPS仅需要在有限的时间内保持它们的性质，这些动力学稳定的SLIPS将表现出优于现有表面的改进的性能。
为了创造不随时间降解且其中液体B不被物体A取代的稳定的(或积极的/热力学有利的)SLIPS材料，必须满足下面标准。可计算被任意不混溶液体(EA)，或具有(E1)或不具有(E2)浮在其顶部的完全润湿的不相混的测试液体的润滑液完全润湿的有纹理的固体间的总界面能量。这可确保物体A保持在液体B的 稳定的润滑膜上。为确保所述固体优先被所述润滑液润湿，ΔE1＝EA–E1>0和ΔE2＝EA–E2>0应同时为真。所述方程可被描述为：
ΔE1＝R(γBXcosθBX–γAXcosθAX)–γAB>0 (式1)
ΔE2＝R(γBXcosθBX–γAXcosθAX)+γAX–γBX>0 (式2)
其中R为粗糙系数(即所述纹理结构的固体的真实表面和投影表面面积的比值)。
该关系也可根据亲和力定性地描述；为确保物体A保持在液体B的稳定的润滑膜上部，液体B必须具有比对物体A更高的对于所述基底的亲和力。例如，用亲水分子功能化或涂覆并用极性液体B浸润的固体将提供功能的疏油SLIPS用于排斥油；用疏水部分功能化或涂覆并用碳氢化合物如液体B浸润的固体将提供功能的疏水表面用于排斥极性的亲水材料，例如水；用氟化分子功能化或涂覆并用氟化油类浸润的固体将作为同时疏水和疏油的功能SLIPS；等等。对于有图案的SLIPS，该关系可描述为“稳定”区。相反地，当物体A具有比对液体B更高的对于基底(例如，所述基底的未功能化的区域)的亲和力时，物体A将取代该区的液体B。该关系可被描述为“不稳定”区。
为满足所述第三因素(所述润滑液(液体B)和被排斥的物体或液体(物体A)可为不相混的且彼此间可无化学作用)，物体A和液体B间的混合热焓应足够高(例如，水/油，昆虫/油，冰/油，等)以使当混合在一起时它们彼此相分离，和/或彼此间不发生实质性化学反应。在某些实施方案中，物体A和液体B实质上是彼此化学惰性的以使它们在物理上保持不同的相/材料而两者间无实质的混合。对于液体A和液体B间优异的不混溶性，在任一相中的溶解度应为小于500百万分之一重量(ppmw)。例如，水(液体A)在全氟化的流体(液体B，例如3M FluorinertTM)中的溶解度大约10ppmw；水(液体A)在聚二甲硅氧烷(液体B，MW＝1200)中的溶解度大约1ppm。在一些情况下，SLIPS性能可被少量不混溶的液体A和液体B瞬间保持。在该情况下，所述液体在任一相中的溶解度为小于500千分之一重量(ppthw)。对于大于500ppthw的溶解度，所述液体认为是可混溶的。对于某些实施方案，可充分利用所述注入液体和被排斥的 液体或固体或物体间的慢的混溶性和相互反应，形成在所需时间内作为结果的SLIPS的令人满意的性能。
在一些实施方案中，通过用空间定义的表面能首先功能化固体表面以在液体涂覆的表面上形成空间不均匀图案。当给定的润滑剂在固体表面润湿时，可设计所述表面以使部分区域由于与所述固体和润滑剂间的表面能相匹配(即ΔE1>0和/或ΔE2>0)可形成稳定的润滑剂膜，其中剩余的区域保持不稳定(即ΔE1<0和/或ΔE2<0)。当合适的不混溶的液体遇到所述不稳定的润滑区域时，它可取代所述润滑剂并保持在图案化的区域内。
图案化的SLIPS的潜在的应用包括用于组织工程、力学生物学和单细胞研究的细胞空间定义图案化，生物液体图案化，以及高灵敏度的生物传感器。其他应用包括微流体、没有交叉污染的分子或材料的控制定位。
可在液体涂覆或液体浸入的固体基底(SLIPS)上形成选择性润湿性的异构拓扑或空间定义的图案化。允许选择性润湿的区域或洞(例如，水相)可允许，通过非限制性实施例，细胞的局部培养、用于单细胞研究的细菌图案化、用于基因组测序和识别的DNA/RNA图案化、蛋白质图案化、流体浓缩和收集、冰核形成或通过SLIPS层的液体的运输用于传感或排除功能。这些超低粘附和选择性润湿(或毛细作用)性质的组合可用于生物和非生物物质的图案化，字符的打印，制备液体粘合剂，或有渗透性/无渗透性的固体支撑体，或用于绷带或“呼吸的皮肤层”的生物医学材料的设计。
生成SLIPS的总体方案
图2示出了根据本公开内容的某些实施方案生成SLIPS的总体方案。图2中示出的这些步骤中的一些可被组合和再重复；但在一些情况下，可跳过这些步骤(如多孔聚四氟乙烯根本不需要处理步骤，只需润滑；如果所述固体已被粗糙化，在润湿前可能仅要求功能化；等)。在一个实施例中，所述方案可为原始基底→表面处理步骤→润滑以制备SLIPS。在另一个实施例中，所述方案可为原始基底→表面粗糙化→表面功能化→润滑。在另一个实施例中，所述方案可 为原始基底→用不同材料层涂覆→附加层的粗糙化→表面功能化→润滑。
下面提供了一系列示例性的表面处理方法：
1.增加的表面处理方法
-粘结固体相材料(SLIPS或SLIPS现成的片、带或层压板)
-使用液相涂层(涂料或油墨、喷涂、旋转、浸渍、气刷、丝网印刷、喷墨印刷、静电纺丝、旋转喷印)的材料的应用
-气相材料的沉积和反应(CVD、等离子体、电晕、ALD、PVD、iCVD、oCVD)-金属或金属氧化物、硫化物、氮化物、混合的氧化物，氧/羟化合物、二氧化硅的溅射和蒸发
-有机小分子(聚对二甲苯)、聚合物和其它碳基材料(CNT、石墨、无定形碳、烟灰、石墨烯、巴克敏斯特富勒烯、金刚石)的蒸发和气相沉积
-复合相变材料的沉积(颗粒或牺牲颗粒+粘合剂)
-材料的电沉积或其它溶液相生长(导电聚合物、电镀的金属、无电沉积、颗粒的电泳沉积、表面引发聚合、静电组装、表面化学反应、矿化)
-材料(纳米粒子、纳米纤维、纳米线、纳米管、微粒、微纤维、微线、微管)的气相生长
-多层沉积(重复涂覆，逐层沉积)
-前驱体材料(矿物质、小分子、生物分子、聚合物、纳米/微粒、胶体)的自组装
-通过氧化进行层的生长
-基于污垢的沉积(使用污垢作为自身的纳米结构，如细菌生物膜、水垢、海洋污浊)
-转移涂层和印刷(接触印刷，图案转移，LB膜)
-通过形成多孔/连续多孔/开放细胞型结构化多孔表面的聚合物/预聚物混合物/溶液/乳液/悬浮液/试剂或共聚单体混合物的喷涂，聚合物泡沫沉积在所述基底上，具有或不具有可选的促进剂/粘合层。所述聚合物可选自多种市售的聚合物 和它们的混合物，非穷尽的例子包括聚氨酯、聚苯乙烯、乳胶泡沫等
-相应地，适当选择的润滑液可喷涂至这些聚合物泡沫上，具有或不具有所述聚合物表面的附加处理
2.消减的表面处理方法
-机械/物理蚀刻(砂磨、喷砂和喷珠、加工、溅射)
-化学刻蚀(酸、碱、溶剂、气体、阳极化、磷化、黑色氧化物形成)
-化学机械刻蚀
3.通过形状变化的表面处理(变形)
-通过机械或声学诱发的变化形成的皱纹、裂纹、褶皱、脊状、折痕
-由溶剂或润滑剂或含化学添加剂(低聚物、聚合物、凝胶等)的溶液引起的溶胀
-印记
4.化学表面处理方法
-共价键合的形成
-离子键合的形成
-复杂/配位键合的形成
-通过硫化物键、氧化物键、硅烷、磷酸酯、膦酸酯、羧酸酯、磺酸酯、胺等的形成而形成自组装单层
-非特定吸附和范德华相互作用的形成
-通过物理吸附材料改变化学亲和力
-通过氧化或还原、电化学反应改变化学亲和力
-(材料的生长(由接枝)
-()材料的附着(接枝至)
-材料的生长和附着(通过接枝)
-均相化学品
-双或多功能的化学修饰剂(两性离子，嵌段共聚物，可切换的分子)和它们的 溶液
-化学结构转变，重结晶(例如勃姆石膜法(Boehmitization))
5.物理表面处理方法
-热处理(在空气、惰性气体、水、蒸汽(steam)、溶剂、蒸汽(vapors)、超临界流体中加热或冷却，退火，烧结，熔融，结晶，相变，碳化)
-机械处理(压缩、拉伸、剪切、膨胀、充气、发泡)
-光学高能粒子处理(激光烧蚀、γ射线、电子束、带电粒子束、紫外线、粒子轰击)
-电处理(焦耳加热、电化学)
-声处理(表面声波定位)
6.生物表面处理方法
-利用生物分子生长或改变表面
动力学稳定的SLIPS
如上所述，SLIPS是典型符合下面三个要求的一类材料：
1)所述润滑液(液体B)必须吸入、润湿并稳定粘附在所述基底(固体)内；
2)所述固体必须优先被所述润滑液润湿，而不是被想要排斥的液体(液体A)润湿；和
3)润滑和冲击试验的液体必须是不相混的。
通常认为符合上面三个要求的SLIPS是热力学稳定的，意思是它的SLIPS状态不倾向于随着时间的推移而变化。
这些因素可设计为永久的或持续时间足以达到SLIPS表面的期望寿命或服务时间或直至完成部分消耗的注入液体再运用的时间。在一些状况下，稳定有限时间和/或有限量暴露于被排斥液体的动力学稳定的SLIPS仍可提供实质上比传统材料好的性能。所述动力学稳定性可归因于多种因素(例如，高粘度，具有有限的但仍明显的互溶度的液体的慢混合，润滑剂去润湿的时间尺度低于液体A的润湿和对润滑剂的取代，等)，而不满足严格的基于热力学的方程中描述 的一些关系。图3A和图3B根据本发明的某些实施方案示出了热力学稳定的SLIPS和动力学稳定的(即亚稳定的)SLIPS间的比较。可有多种液体/液体/(功能化的)固体组合落入动力学稳定的(也称作亚稳定的)SLIPS的这些类别中。多种这些亚稳定的SLIPS可提供具有优于本领域已知的材料性能的成本效益好的溶液。所采取的液体/固体表面功能化方法可选自提供不是热力学最好的但动力学适当的组合的范围，所述组合同时与讨论中的应用的其它要求如生物相容性、生物可降解性、食物相容性等相容。
为了保持液体A和液体B之间的高度不混溶性，在任一相中的溶解度应优选小于500百万分之一重量(ppmw)。例如，水(液体A)在全氟化的流体(液体B，例如3M FluorinertTM)中的溶解度大约10ppmw；水(液体A)在聚二甲硅氧烷(液体B，MW＝1200)中的溶解度大约1ppm。SLIPS性能可被少量不混溶的液体A和液体B瞬间保持。在该情况下，所述液体在任一相中的溶解度为小于500千分之一重量(ppthw)。对于大于500ppthw的溶解度，所述液体认为是可混溶的。下表1包括SLIPS的动力学稳定的组合。“Y”表示液体B形成稳定的润滑膜，且不被液体A取代；而“N”表示液体B随时间推移被液体A取代。从测量的至少三个独立测试的平整的基底上的前进和后退角的平均值计算平衡角θA和θB。R，γA，γB分别代表所述基底的粗糙系数及液体A和液体B的表面张力。
表1
当所述润滑剂的低表面张力润湿所述表面而不是“锁住”时，即表面化学不支持能量最低情况时，形成亚稳定态。因此，在添加第二液体时，所述SLIPS状态将最终打破。然而，这可能花费时间，因此，即使不满足热力学稳定条件也可形成亚稳定的滑动面。也可通过破坏所述表面至支撑粗糙度不足够高而不允许锁住的程度而形成亚稳定状态。图3C进一步说明了通过以使热力学稳定的SLIPS表面与不利于润滑剂锁住的表面区域共存的方式图案化所述结构化的固体形成的示例性的亚稳定SLIPS态。上部分显示了方案；下部分显示了用由100μm点阵列(左)、500μm点阵列(中)和1mm点阵列(右)组成的亲水斑块(patches)(不支持SLIPS)图案化的氟化表面(支持SLIPS)的图片。后两个清楚地显示钉扎(pinning)(即在水滴穿过表面所需的时间内达到如所述方案中显示的热力学稳定的情况)，而第一个显示SLIPS处在亚稳定情况下(即在水滴滑下的时间尺度内所述亲水部分不被辛烷润湿，即使这将是热力学有利的)。
物体A
如前所述，本公开内容的光滑面可排斥多种材料。例如，物体A可包括极性的和非极性的液体A，它们的混合物和它们的固化形式，如烃类和它们的混合物(例如，从戊烷到十六烷和矿物油，芳香族液体如苯、甲苯、二甲苯、乙苯、石蜡超轻质原油；石蜡轻质原油；石蜡轻质中等原油；石蜡环烷基中等原油；环烷基中等重质原油；芳香族调节的中等重质原油；芳香环烷重质原油；芳香柏油原油等，和它们的低聚物和聚合物)，酮类(例如丙酮等)，醇类(例如甲醇、乙醇、异丙醇、高级醇、丙二醇、二丙二醇、乙二醇和丙三醇等)，水(具有宽范围的盐度，例如含0-6.1M的氯化钠或溴化钠，0-4.6M的氯化钾 和溴化钾，对结垢具有高亲和力的水，如具有高浓度的Mg和Ca离子等)，酸(例如浓缩的氢氟酸、盐酸、硝酸等)和碱(例如氢氧化钾、氢氧化钠等)，离子液体，超临界流体，纯或混合溶质的溶液，流体和固体的复杂混合物例如酒，酱及类似物，番茄酱及类似物，橄榄油及类似物，蜂蜜及类似物，蜡烛烟灰和石蜡，肥皂水，表面活性剂溶液，和霜或冰，等。物体A可包括生物物体，例如昆虫、血液、小动物、原生动物、细菌(或细菌生物膜)、病毒、真菌、体液和粪便物、组织、生物分子(如蛋白质、糖、脂肪，等)，等等。物体A可包括气体，如天然气、空气和水蒸气。物体A可包括悬浮在液体(如雨、水、露水等)或气体中的固体颗粒(例如灰尘、烟雾、污垢等)。物体A可包括非生物物体，例如灰尘、胶态悬浮液、喷漆、指纹、食品物品、常规的家庭材料等等。物体A可包括粘合剂和粘合膜。所列举的内容旨在是示例性的且预期所本发明的光滑面成功排斥多种其它类型的材料和材料组合。
在某些实施方案中，可排斥不止一种的不同物体A。在某些实施方案中，相对于只有一种物体A，两种或多种物体A的组合物可能共同更容易被排斥。
液体B
液体B(在本发明中或者称为“润滑剂”)可选自多种材料，且相对于物体A是化学惰性的。液体B容易地流入粗化表面的表面深处且当在所述粗化表面上提供时通常具有形成超平滑表面外层的能力。在某些实施方案中，当在所述粗化表面上提供时液体B具有形成基本上分子级平的表面。所述液体可为纯的液体，液体(溶液)的混合物，或复杂流体(即，液体+固体成分例如脂质溶液)。例如，图6显示了再形成所述SLIPS表面形貌的复制过程。首先，用液体B(例如全氟化流体)浸润多孔固体。然后在液体B层上固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)以获得所述SLIPS表面的复制阴模。然后，使用PDMS环氧树脂复制阴模将环氧树脂(例如UVO 114，Epotek)用于得到复制阳模。然后用原子力显微镜进行计量分析。正如所示，复制阳模表面的平均粗糙度小于1nm，其中所述粗糙度代表液体B实际粗糙度的上界，因为这达到了平的PDMS和UVO 114环氧树 脂的物理粗糙度限制。然而，从粗糙度分析可以明显看出，液体B覆盖所述多孔固体表面形貌，形成几乎分子级光滑平面。
在某些实施方案中，当在所述粗化表面上提供时，液体B具有形成基本上分子级或甚至原子级平整的表面。
在其他实施方案中，该润滑剂层遵循结构化的表面形貌并形成保形光滑涂层(例如，代替形成覆盖所有纹理的光滑层)。例如，如果所述润滑剂层的厚度小于所述纹理的高度时，所述润滑剂可遵循所述结构化表面的形貌。在某些实施方案中，保形光滑润滑剂涂层遵循所述结构化表面的形貌且可显示出比未被注入所述润滑剂的下面的基底显著较好的性能。
液体B可选自多种不同液体。例如，可使用全氟化或部分氟化的烃类或有机硅化合物(例如，硅橡胶)或长链烃类及它们的衍生物(例如，矿物油、植物油)等。特别地，第三全氟烷基胺(例如，全氟三-n-戊胺，3M公司制造的FC-70，全氟三-n-丁胺FC-40，等)，全氟烷基硫化物和全氟烷基亚砜，全氟烷基醚，全氟环醚(例如FC-77)和全氟聚醚(例如DuPont的润滑剂Krytox系列，Solvay的润滑剂Fomblin系列)，全氟烷基膦和全氟烷基膦氧化物及它们的混合物可用于这些应用，以及它们与全氟化碳和提到的种类的任一或所有成员的混合物。此外，长链全氟化羧酸(例如，全氟十八酸和其他同系物)，氟化膦酸和磺酸，氟化硅烷，和它们的组合也可用作液体B。在这些化合物中的全氟烷基基团可为线性的或支化的且一些或全部线性和支化的基团仅可被部分氟化。此外，有机硅化合物例如线性或支化的聚二甲硅氧烷(PDMS)(例如，Momentive Element系列硅润滑剂，Siltech硅润滑剂)，聚二乙基硅氧烷(PDES)，甲基三(三甲氧基硅氧)硅烷，苯基-T-支化的聚倍半硅氧烷(polysilsexyquioxane)，和侧基功能化的聚硅氧烷共聚物(例如，Pecosil硅润滑剂)及它们的组合物可用作液体B。此外，多种低分子量(直至C14)烃类(例如无烟石蜡，IsoparTM)，长链(C15或更高)烷基石油或“白油”(例如石蜡油、线性或支化的烷烃、环状烷烃、芳香烃至凡士林和蜡)，和未加工的或改性植物油和甘油酯和它们的组合可 用作液体B。
在某些实施方案中，液体B具有高的密度。例如，液体B的密度大于0.5g/cm3，1.0g/cm3，1.6g/cm3，或甚至1.9g/cm3。在某些实施方案中，液体B的密度大于物体A的密度以增强液体排斥性。高密度流体减少任何冲击液体在液体B的表面下“下沉(sink)”和在其中夹带的趋势。对于小于它的毛细管长度的物体A(假定物体A为液体形式)，液体B具有比物体A低的密度是可能的，其中由液体B形成的SLIPS可保持功能性。
在某些实施方案中，液体B具有低的凝固温度，例如小于-5℃，-25℃，或甚至小于-80℃。具有低的凝固温度将允许液体B在下降的温度下保持它的光滑行为并排斥多种液体或固化的流体，例如冰等，用于如抗冰表面的应用。
在某些实施方案中，液体B可具有低的蒸发速率，例如每给定区域低于1nm/s，低于0.1nm/s，或甚至低于0.01nm/s的所述润滑剂的厚度。考虑到液体B典型的厚度约为10μm且蒸发速率约为0.01nm/s，所述表面可保持高度的液体排斥性较长时间而无任何再填充机制。
图7A-7C说明了SLIPS的自修复特征。在某些实施方案中，可通过使用如图7D中所示的自再填机制进一步延长表面的寿命。
在实验上，观察到当液体B的运动粘度小于1cm2/s时，液体A可在液体B的表面高度移动。由于液体的粘度是温度的函数(即液体粘度随温度的升高而减小)，需要选择在特定的温度范围内以前述粘度(即<1cm2/s)操作的合适的润滑剂。特别地，可发现多种不同的市售的液体B在从小于-80℃至大于260℃的温度范围内具有特定的粘度，例如全氟化的油类(例如，3MTM FluorinertTM和DuPontTM油类)。例如，DuPont Krytox油类的液体粘度的温度依赖性如表2所示，作为特定的实例(注：数据是由DuPont Krytox油类制造商提供)。
表2 DuPont Krytox油类的液体粘度的温度依赖性
液体B可沉积至任何需要的厚度。与所述多孔基底的表面粗糙度最高处至最低处的距离近似的液体B的厚度提供所述基底和液体B之间的良好的液-固相互作用。当所述固体基底以垂直于水平面的位置倾斜时，具有特征长度尺度以下的厚度的液体层可保持与所述粗化表面的良好粘附，然而特征长度以上的液体层可流动，形成流线(表面缺陷)并扰乱流体表面的平整度。例如，当所述粗化表面的最高处至最低处的高度为～5μm时，从所述粗化表面的最低处测得的流体层的非限制性厚度约5-20μm。
在某些实施方案中，物体A(即试验液体)和液体B(即功能液体层)可为不相混的。例如，物体A和液体B间的混合焓可足够高(例如，水和油)以使当混合在一起时它们彼此发生相分离。
在某些实施方案中，可选择液体B以使物体A具有少的或基本没有接触角滞后。低粘度(即，<1cm2/s)的液体B倾向于产生低的接触角滞后。例如，可得到小于5°，2.5°，2°，甚至小于1°的接触角滞后。低的接触角滞后使物体A在低的倾斜角(例如，<5°)下滑动，进一步增强所述表面的液体排斥性能。在2012年1月19号提交的国际专利申请号PCT/US2012/21928和PCT/US2012/21929中讨论了SLIPS表面的机制，这些专利的内容通过引用全部并入本文。
粗化表面
如本文所用，术语“粗化表面”包括三维多孔材料(例如纤维网)的表面和具有一定形貌的固体表面，无论它们是否有规律，准规则，或随机模式，或具有非常小的表面特征的大部分光滑的表面。
在某些实施方案中，所述粗化表面具有大于或等于1的粗糙系数R，其中所述粗糙系数定义为真实的表面面积和投影的表面面积之间的比值。为发生液体B的完全润湿，需要具有大于或等于由Wenzel关系(即，R≥1/cosθ，其中θ为液体B在平整的固体表面的接触角)定义的所述粗化表面的粗糙系数。例如，如果液体B具有在特定材料平整的表面上具有50°的接触角，需要所对应的粗化表面具有大于～1.5的粗糙系数。值得注意的是，所述表面的“滑溜”通常随着同一材料的R的增大而增加。
在某些实施方案中，粗化表面的存在可促进液体B在粗化表面上的润湿和延伸，正如图4中所示。图4(A)显示了液体B(FC-70，高沸点、水溶性的全氟三烷基胺)在由硅烷化的环氧树脂制备平整的的非结构化表面310上的液滴300。虚线代表所述基底的上表面的位置。当液滴在所述表面延伸时，其保持它的液滴形状并具有有限的接触角。图4(B)显示了在相同组合物(硅烷化环氧树脂)的一个示例性粗化表面320上的相同液体B。粗化表面的存在促进了液滴的展开和填入所述粗化表面的凹处(valleys)。正如所示，所述纳米结构显著增强了液体B在表面的润湿，在所述形貌上形成均匀覆盖的光滑功能层。
在某些实施方案中，可由任何合适的材料制备所述粗化表面。例如，可由聚合物(例如，环氧树脂、聚碳酸酯、聚酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚砜、聚二甲硅氧烷等)、金属(例如，铝、钢、不锈钢、铜、青铜、黄铜、钛、金属合金、铁、钨等)、塑料(例如，高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、蓝宝石、玻璃、不同形式的碳(如金刚石、石墨、炭黑等)、陶瓷(如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等)等制备所述粗化表面。例如，可使用氟化聚合物如聚四氟乙 烯(PTFE)、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟橡胶、氟化乙烯丙烯、全氟聚醚等。此外，可由具有功能性质的材料例如导电/非导电，和磁性/非磁性、弹性/非弹性，光敏/非光敏材料材料制备粗化表面。广泛的功能材料可制备SLIPS。
在某些实施方案中，所述粗化表面可为具有任意形状和厚度的基底的多孔表面层。所述多孔表面可为任何具有足够的厚度以稳定液体B，例如50+nm厚度，或有效范围的液体从所述固体材料受到的分子间力的合适的多孔网络。然而，所述基底可非常厚，例如金属板和管。所述多孔表面可具有任何合适的孔径以稳定所述液体B，例如从约10nm至约2mm。也可通过在一个无限厚度的固体支撑体上形成表面图案产生这样的粗化表面。
许多多孔材料为市售的，或可通过多种已良好确立的制备技术制备。例如，具有随机安排的三维互连网络的孔的PTFE过滤器材料和PTFE原纤维是市场上可以买到的。图5A-5E示出了合适的多孔材料的一些非限制性示例性的实施方案。
所述粗化表面材料可选为对液体B是化学惰性的且对于液体B具有良好的润湿性能。在某些实施方案中，液体B(和类似地物体A)可对所述粗化表面无活性。例如，可选择所述粗化表面和液体B(或物体A)以使所述粗化表面在接触液体B(或物体A)时不溶解。特别地，全氟液体(液体B)非常好地排斥范围广泛的液体A和它们的固化形式，例如，极性和非极性液体A，它们的混合物，和它们的固化形式，如碳氢化合物及其混合物(例如，从戊烷到十六烷和矿物油，芳香液体如苯、甲苯、二甲苯、乙基苯、石蜡超轻原油；石蜡轻质原油；石蜡轻质中等原油；石蜡环烷基中等原油；环烷基中等重质原油；芳香族调节的中等重质原油；芳香环烷重质原油，芳香柏油原油等，和它们的低聚物和聚合物)，酮类(例如丙酮等)，醇类(例如甲醇、乙醇、异丙醇、高级醇、丙二醇、二丙二醇、乙二醇和丙三醇等)，水(具有宽范围的盐度，例如含0-6.1M的氯化钠，0-4.6M的氯化钾等)，酸(例如浓缩的氢氟酸、盐酸、硝酸等)和碱(例如氢氧化钾、氢氧化钠等)，离子液体，超临界流体，纯或混合溶质的 溶液，流体和固体的复杂混合物例如酒，酱及类似物，番茄酱及类似物，橄榄油及类似物，蜂蜜及类似物，油脂，肥皂水，表面活性剂溶液等。物体A可包括生物物体，例如昆虫、血液、小动物、原生动物、细菌(或细菌生物膜)、病毒、真菌、体液和组织、脂类、蛋白质等。物体A可包括悬浮在液体(如雨、水、露水等)中的固体颗粒(例如灰尘、烟雾、污垢等)。物体A可包括非生物物体，例如灰尘、胶态悬浮液、喷漆、指纹、食品物品、常规的家居用品，等等。物体A可包括粘合剂和粘合膜。所列举的内容旨在是示例性的且预期本发明的光滑面成功排斥多种其它类型的材料。)
此外，所述粗化表面的形貌可在几何图形和尺度范围内变化以提供所需的与液体B的相互作用，例如，润湿性。在某些实施方案中，在液体B下方的所述微/纳米尺度的形貌可提高液体毛细作用性能和液体B对所述粗化表面的粘附。因此，液体B可均匀地覆盖所述粗化表面并在任何倾斜角度被截留在内。
除了所需的形貌，可调整、修饰或功能化所述粗化表面以得到对润滑液B的必要性能(例如，亲和力、润湿性)。例如，所述表面可被修饰以暴露亲水/极性/带电的化学基团，包括但不仅限于羟基、胺、羧基、硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐、膦酸盐、羧酸盐、铵，使其与极性液体的润湿相容，如水和不同pH和离子强度的水溶液、离子液体和它们的混合物，。如此修饰的粗化表面吸入极性液体将形成疏油SLIPS。在另一个实施方案中，所述表面可被修饰以暴露疏水/非极性/非带电的化学基团或链，包括但不仅限于烷基，环烷基，芳基，芳烷基，烯烃，取代的甲硅烷基，其可以是线性的、支化的或环状的，使其与非极性液体的润湿相容，所述非极性液体例子为烃类，天然的矿物或硅油类，石油馏分，含不同分子量、长度和分支的芳香、脂环、链烷链的分子，和它们的混合物。如此修饰的粗化表面吸入非极性液体将形成疏水SLIPS。在又一个实施方案中，所述表面可被修饰以暴露氟化化学基团或链，包括但不限于部分或全部氟化的烃链，全氟聚醚和其他在本说明书下文更详细描述的全部或部分氟化的液体。如此修饰的粗化表面吸入氟化液体将形成憎一切物质的(omniphobic)(同时疏 水或疏油)SLIPS。在本文件的说明书中对表面调整、修饰或功能化的通常类型和原则进行了分类。取决于所述粗化表面的材料，适用的调整和功能化方法可包括物理、化学处理和任意数目的下面章节描述的物理和化学方法的组合。此外，也可使用不完美匹配表面功能化和润滑剂的组合。例如，可通过在氟化表面应用硅润滑剂制备强防冰的SLIPS。
应用
可预期SLIPS的多种不同应用，其中需要排斥多种材料的表面。一些非限制性的示例性的应用描述如下。
实施例1-防护织物材料
光滑面可应用于功能的防护织物/手套/毛毯/毛巾/实验室服装，屋顶，穹顶和建筑中的窗户，帐篷，泳衣，潜水衣，雨衣、战术装备，军事服装，消防队员的服装等。这些功能化的织物材料可作为物理屏障且用于排斥范围广泛的危险液体/固体，例如酸、碱、氧化/还原剂、有毒物质、高度易燃液体、高温流体、燃烧油、火/火焰、低温液体、冰和霜等。
SLIPS可应用在普通的织物材料，例如天然棉和合成纤维织物(例如，聚四氟乙烯(PTFE)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚丙烯，聚酯，丙烯酸(acrylic)，尼龙，乳胶，人造丝，醋酸纤维，烯烃，氨纶，芳纶)上。在这种示例性的应用中，所述润滑液可选自宽范围的全氟化流体(包括但不仅限于第三全氟烷基胺(例如3M公司的全氟三正戊氨、FC-70，全氟三正戊氨FC-40等)，全氟烷基硫化物和全氟烷基亚砜，全氟烷基醚，全氟环醚(如FC-77)和全氟聚醚(例如DuPont公司的KRYTOX润滑剂系列)，全氟烷基膦和全氟烷基膦氧化物及它们的混合物可用于这些应用)，聚二甲基硅氧烷及其功能改性物，食品相容的液体(包括但不仅限于橄榄油、菜籽油、椰子油、玉米油、米糠油、棉籽油、葡萄籽油、大麻油、芥子油、棕榈油、花生油、南瓜子油、红花油、芝麻油、豆油、葵花油、茶籽油、核桃油，和任何上述油的混合物)。
根据相对于所想排斥的液体的固体和润滑剂之间的化学亲和力，所述固体 的化学功能化和粗糙化可进一步增强所述化学亲和力。多数天然棉和合成纤维被编织成高度有结构的、多孔表面(例如，参见图8)，其中固体支撑物可提供所述润滑液粘附的足够的表面积。当这些材料转化为SLIPS时，适当的化学功能化方案可增强与所述润滑剂的化学亲和力。下面为材料的化学功能化方案的几个例子，其中可应用进一步的化学处理。
1)PET的氟硅烷化：为氟硅烷化PET以产生高度氟化的表面，应该从能易与PET反应以激活表面上的酯键的胺(例如3-氨基丙基三烷氧基硅烷)开始。胺功能化的PET能与正硅酸乙酯(TEOS)反应以产生能与硅烷(例如，十三氟代-1,1,2,2-四氢辛基-三氯硅烷)缩合的羟基。实现上述步骤的方案可参考A.Y.Fadeev and T.J.McCathy,Langmuir 14,5586–5593(1998)。
2)化学功能化的二氧化硅在织物(天然的和合成的)上的沉积：直接化学功能化织物的另一个方法是通过二氧化硅颗粒与纤维表面的胺基的原位合成，所述合成是通过Stober方法(Stober,W.；Fink,A.；Bonn,E.J.Colloid Interface Sci.1968,26,62)。通过该方法，所述二氧化硅微粒能共价结合在天然和合成纤维的表面(参见图9A-9C)。随着二氧化硅表面的形成，可通过气相/液相硅烷化方法进一步氟硅烷化所述表面。
对于化学功能化的织物，可通过多种沉积方法，如浸/喷涂，应用润滑液。对于这些光滑的涂层，显示它们可以有效地排斥宽范围的水性流体、烃类和复杂流体。例如，图10A-10C说明了根据某些实施方案的用于抗多种复杂流体和高温流体的功能性服装的SLIPS纤维织物。
实施例2-自清洁和自补偿SLIPS光学涂层
光学部件遭受尘粒、油脂和其他复杂液体的污染。SLIPS涂层可用于保持光学无污染。通过去除SLIPS涂层上的冷凝水的组合机制、倾斜、气流或振动，可毫不费力地去除冷凝水。
图11显示了在60℃水上的雾测试的图片。玻璃的左半部分未经涂覆，玻璃的右半部分经过SLIPS涂覆。左边照片显示了雾测试10秒后的结果。右边照片 显示了3分钟后的结果。图12显示了用于显微镜的无雾的光学观察盖的示意图。
光学性能SLIPS涂层开可阻止外来材料和凝结的污染且润滑液可由周围的材料例如O型环、轴承和保持光学位置的外壳来补充。例如，硅润滑剂可在由硅橡胶制成的O型环中浸润，其中可连续提供以补充所述润滑剂，自动或通过外部控制(例如，通过转动螺丝以从容器中挤压所述润滑剂)涂覆表面。图13是根据某些实施方案的作为容器的被含润滑剂的O型环包围的圆形光学器件示意图。
图14显示了根据某些实施方案的无涂层(左)和有涂层(右)的镜头保护装置的照片。当水应用在所述镜头保护装置上时，水在有涂层的镜头保护装置上伸展但在有涂层的镜头保护装置上成珠。当所述涂覆的镜头保护装置倾斜时，水滴滑落并清洁去除表面灰尘。图15进一步显示了根据某些实施方案的无涂层(左)和有涂层(右)的镜头保护装置的照片。在所述镜头保护装置倾斜后，水滴伸展且多数留在未涂覆的镜头保护装置上；然而水滴滑落至涂覆的镜头保护装置的底部。由于所述涂覆的镜头表面的纳米结构，所述涂层也可提供抗反射特征。
实施例3-SLIPS容器
可将SLIPS层涂覆在由普通塑料(例如，高密度聚乙烯(HDPE)，低密度聚乙烯(LDPE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚乳酸(PLA)，聚氯乙烯(PVC))塑料内衬金属容器、金属容器、玻璃容器、陶瓷容器或复合材料容器制成的容器例如瓶、袋和管的内和/或外表面上。润滑剂可选自食物和化妆品相容的液体，包括但不仅限于橄榄油、菜籽油、椰子油、玉米油、米糠油、棉籽油、葡萄籽油、大麻油、芥子油、棕榈油、花生油、南瓜子油、红花油、芝麻油、豆油、葵花油、茶籽油、核桃油，和任何上述油的混合物。在另一个实施方案中，所述润滑剂可选自生物相容液体，包括但不仅限于脂肪酸、甘油脂、甘油磷脂、鞘脂、固醇脂质、异戊烯醇脂质、糖脂类、聚酮化合物，和它们的溶液。这些润滑油可通过喷涂、浸涂和 蒸镀过程等应用在所述瓶或袋的内部。
在某些实施方案中，对于复杂流体和糊状混合物(番茄酱，蛋黄酱，涂料，洗发剂，护发素，牙膏)，所述容器的内表面或其部分将被设计以具有适当的粗糙度和化学功能性以确保它对于所述复杂流体/糊的一种或多种主要液体成分例如用于番茄酱和蛋黄酱的多种食品级天然油(橄榄，蔬菜，向日葵，油菜等，及其混合物)；油漆的油基(脂肪族和芳香族烃类和短链酮类的混合物)；用于洗发剂和护发素的必需脂肪酸、脂肪醇、硅酮聚合物和它们的混合物)的高的亲和力并因此产生所述容器内所需的覆盖液体层。
在某些实施方案中，一些食品和生物相容的、广泛应用于食品/医疗/保健应用的不同分子量和化学结构的低聚物、聚合物、共聚物和它们的混合物可用于制备粗化表面和通过化学和./或沉积方法用于它的功能化。这些例子包括但不仅限于，聚乳酸，聚乙醇酸，聚交酯-co-乙交酯，聚乙二醇，聚环氧乙烷，聚环氧丙烷及其共聚物，聚砜，聚四氟乙烯，其他的完全和部分氟化的聚合物，共聚物和低聚物，以及聚烯烃，聚酯，聚缩醛，聚偏氟乙烯，聚丙烯酸酯，聚氨酯，聚硅氧烷，聚碳酸酯。图16A中显示了用在食品工业中的聚合物的附加的非详细的列单、它们的商业名和多个管理机构的批准状态(采编自Professional Plastics,Inc.公司的Food Processing–Handling Brochure 2011，其通过全部引用并入本文)。
在光滑涂层应用在塑料瓶上后，显示所述瓶能够排斥宽范围的复杂食品流体和化妆品，包括但不仅限于番茄酱，蛋黄酱，蜂蜜芥末酱，凯撒酱，沙拉酱，千岛酱，蓝奶酪酱，法式调味汁，姜汁，蜂蜜第戎，意大利酱，路易斯酱，油醋汁，俄式调味酱，和上述成分的混合物。所述润滑油可选自出现在食物流体和化妆品中的想要排斥的油成分/混合物(其中所述油成分与出现在食物流体和化妆品中的其它成分不相混)。普通油成分可允许所述瓶内的光滑的涂层自补充和自润滑效果。图16B举例说明了排斥复杂食品流体例如番茄酱和蛋黄酱的经SLIPS处理的瓶。图16C同样地示出了排斥温燕麦粥的经SLIPS处理的塑料袋。 图16D示出了排斥冰的经SLIPS处理的冰块盘子。
在另一个实施例中，在光滑的涂层应用在塑料袋上后，显示了所述塑料袋能排斥宽范围的1)生物的固体/流体，包括但不是尿液，血液，粪便，全血，血浆，血清，汗，粪便，尿液，唾液，眼泪，阴道分泌物，前列腺液，龈沟液，羊水，眼内液，脑脊液，精液，痰，腹水，脓，鼻咽液(nasopharengal fluid)，伤口分泌液，房水，玻璃状液，胆汁，耵聍，内淋巴，外淋巴液，胃液，粘液，腹膜液，胸膜液，皮脂，呕吐物，以及它们的组合；2)复杂食物流体，包括但不仅限于番茄酱，蛋黄酱，蜂蜜芥末酱，凯撒酱，沙拉酱，千岛酱，蓝奶酪酱，法式调味汁，姜汁，蜂蜜第戎，意大利酱，路易斯酱，油醋汁，俄式调味酱，燕麦粥，和上述成分的混合物；3)化妆品，包括但不仅限于身体/面部洗液。所述润滑油可选自出现在食物流体和化妆品中的想要排斥的所述油成分的油成分/混合物(其中所述油成分与出现在食物流体和化妆品中的其它成分不相混)。普通油成分可允许所述容器内的滑的涂层自补充和自润滑效果。
实施例4-香味/风味增强的SLIPS
需要具有香味或风味增强的光滑面，其可用于聚合的、陶瓷的、金属的或复合表面上用于不同的工业和医学应用，其中散发好闻的气味，掩盖难闻的气味，散发或支持特定的风味或味道或上述效果的任何组合。本发明的关键创新是引入特制的润滑剂，所述润滑剂除作为所述光滑的、液/固/复杂流体排斥的表面的功能元素的能力外，拥有所需的气味/味道/风味特性。
在该实施方案中，描述了包括灌输有润滑液的具有所希望的粗糙度的化学或物理修饰的/调整处理的/功能化的结构化固体表面的光滑排斥涂层。该实施方案也包括和覆盖了基于用所述润滑液预溶胀的杂化材料的该构思的各种修改。
所述润滑液可选自多种天然的和合成的油类，其组可包括食物或生物相容的液体，包括但不仅限于橄榄油、菜籽油、椰子油、玉米油、米糠油、棉籽油、葡萄籽油、大麻油、芥子油、棕榈油、花生油、南瓜子油、红花油、芝麻油、豆油、葵花油、茶籽油、核桃油，和任何上述油的混合物。
润滑剂的另一个组包括合成的低聚的和聚合的长链烃-、硅氧烷-、全部或部分氟化的材料，所述材料具有碳-碳、碳-氮、碳-氧、碳-硫、碳-磷和其它碳-杂原子连接及其组合，具有不同的分子量，线性或具有不同的支化度和不同的存在于它们结构中的不同类型的共聚单体或连接键的相对比例。通过添加或用气味或风味散发成分或修饰剂功能化可进一步修饰这些润滑油以提供所希望的多感觉功能，例如散发好闻的气味，掩盖难闻的气味，散发或支持特定的风味或味道或上述效果的任何组合。
如图17中所示，可将这些气味或风味散发成分添加至基础油，例如，以溶解(方法1)、乳化、或分散(方法3)；或者，它们可以与特别设计的按配方制造用于缓释的载体基质包括在一起(方法2)；它们也可化学粘附在含所述润滑液的分子上。有多种芳香的和风味的材料选自天然的、天然等同的和完全合成的那些，包括通过生物技术方法制备的那些。
本领域的技术人员将认识到在风味、香味、化妆品和食品工业中使用的化学品的清单是非常广泛的，因此，通过引用的方式，这里包括两个下面示例性的来源：
l.Rowe,D.J.(2005).Chemistry and Technology of Flavour and Fragrance,John Wiley & Sons
2.Berger,R.G.(2007).Flavours and Fragrances:Chemistry,Bioprocessing and Sustainability,Springer.
大部分的香味化学品为疏水本性并因此与疏水润滑液相容/可溶。疏水芳香化学品的普通类型包括烯烃、酯、酮，长链醇和醛和更多。一个示例性的但不意在限制能与非极性润滑剂结合的典型分子的清单包括，例如，S-柠檬烯、R-柠檬烯、二戊烯、苯乙基异丁酸酯、苯乙基异戊酸酯、辛醇、壬醇或它们的混合物等。所述香味/风味增强的润滑油可通过喷涂、浸涂和甚至气相沉积过程等进行应用。对于某些实施方案，选择所述香味或风味增强剂以使它们生物可降解/具有生物起源，和具有大多数人视为积极的和认为舒适的气味或风味；其它重要的考虑事项是成本和IP：有许多没有取得专利权或已经脱离了专利保护的 工业生产的、不昂贵的芳香化学品，这些化学品可用作芳香增强的润滑剂的配方技术。
上述的香味/风味增强的光滑面能排斥多种水性基的复杂流体，包括食物和人类的排泄物。所述光滑面可涂覆在由普通塑料(例如，高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC))、陶瓷(例如，玻璃)和金属(例如，铝)制成的表面上。
这样的香味或风味增强的SLIPS结构可用作造瘘袋、卫生和盥洗用品、抽水马桶的气味中和剂/香味增强剂，也可用作食品和化妆盒和其它与需要排斥的或在表面上自由移动的材料接触的且其中当添加到表面的排斥行为时所形成的气味和/或风味特性积极地添加至全部的性能和/或性能的感知的表面的香味/风味增强剂。
实施例5-SLIPS输气管道
根据能源信息管理局，天然气管线与电力输送管线相比消耗平均2-3％的生产能力以克服摩擦损失，所述电力输送管线由于电阻而损失其携载的能量的6-7％(能源信息管理局，常见问答(2007年国家水平的损失是总电力配置的6.5％)，得自于http://tonto.eia.doe.gov/ask/electricity_faqs.asp#electric_rates2.)。根据美国州际天然气协会(美国州际天然气管道效率、州际天然气协会，华盛顿，DC，发布日期11/01/2010，http://www.ingaa.org/11885/Reports/10927.aspx)，缓解这些损失的一个方法是使用内部涂覆的管道，这提供了每英尺$2-$8成本的一些改进，取决于管道的直径和所使用的涂层。在该实施例中，内部涂覆的管道比未涂覆的管道需要较少的马力，减少了1.627-1.452MMcf/d的燃料。例如，图18说明了根据某些实施方案的根据流量的内部涂覆的管道上的压降。
减少SLIPS层的阻力和摩擦力可在多种用于包括气体流动的应用上的基底上形成。例如，可以SLIPS为基础形成管材的光滑涂层。所述气体理解为包括由于摩擦和阻力经受高流速和相关的能量损失的气相、液化的和超临界流体。 气体的例子包括但不仅限于空气、蒸汽、液化天然气(甲烷)、液化石油气、高级烷烃、乙烯、乙炔、高级烯烃和它们的混合物、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氢气、惰性气体(氮气、氦气和稀有气体)、反应气体(卤素、卤化氢、氨、肼、膦，胂)、纯的和混合的卤代烃、纯的和混合的氢氟碳化合物、卤代碳氟化合物等。在某些实施方案中，可使用活性或惰性的气体的混合物(例如合成气-CO/H2)，同时也可使用气态反应混合物、产物混合物和副/废液。
下面显示了粗化材料表面的组合和它们用于保持不同润滑液的功能化的方法的未穷尽的组。所述材料被提出具有所希望的粗糙等级且当需要时进一步功能化以确保所述润滑剂固定并保持在所述粗化表面内。对于下面所有的例子，原则上可设计憎恶一切物质的(onmiphobic)的光滑面(这些基于保持在功能化的以对氟化的分子具有强亲和力的粗化表面内的多氟化的油类)、疏水光滑面(这些基于保持在具有疏水(不必需含氟)功能化的粗化表面内的天然或合成物/矿物油)和疏油光滑面(这些基于保持在具有适当的功能化的亲水表面的粗化表面内的水性润滑液)。下面列举的不假定只包括天然气输送管道最相关的材料，但不如说包括可在减少摩擦/阻力应用包括气流中发现应用的数个类型的材料。也值得注意的是，包括在非详尽的列单中的组合可适用于所有其它应用，除了气体/流体阻力和摩擦的减少。
1.可通过数个方法修饰不锈钢、其它钢：用二氧化硅或相关的氧化物材料使用原子层沉积或通过溶胶凝胶方法，或使用一系列硫醇封端的分子的电化学方法，或使用铁催化的酸湿法刻蚀，该刻蚀使用存在于合金中的确定的区域尺度有选择地刻蚀一些部分。所形成的锚定涂层可以被如此使用(如在硫醇SAMs的情况下)或使用二氧化硅(或其它ALD或溶胶-凝胶涂层)或硫醇SAMs头基的Si-OH(或相关的)功能性对其进一步修饰。以该方式引入的全部、部分或非氟化的功能性可提供不锈钢适合于保留适当选择的润滑液的表面。然后可根据目标应用从多种氟化的油类或非氟化的天然的(橄榄油、植物油等)或合成的液体(高级烃-脂肪族、芳香族、混合的、硅油及它们的混合物)中选择润滑 液。
2.可使用可在其表面形成稳定的SAMs的(多氟)链烷磷酸酯/膦酸酯/磺酸酯/羧酸酯功能化钛、钽、铌和其它早期和中期的过渡金属表面(通常覆盖有氧化层)。下面使用润滑液的修饰和其选择与上述相同。
3.可使用一系列物理、化学和电化学技术完成铝表面修饰。这些可包括受控的导电聚合物的沉积和生长、ALD、溶胶凝胶沉积、勃姆石形成，类似于上述钛或其他金属的SAM形成、和来自溶液或气相的硅烷化/氟硅烷化。下面使用润滑液的修饰和其选择与上述相同。
4.聚合物表面，特别是自身缺乏垂饰化学功能的这些，可使用化学(水解、高温蒸汽、强酸、碱、氧化剂)和/或等离子刻蚀以提供足够数量的化学官能团(羟基、羧基)以允许设置所需的表面化学。然而，在许多情况下，即使非功能化的聚合物也已与许多润滑液相容。在其它情况下，二氧化硅或相关材料的等离子处理和ALD的组合可提供足够数目的修饰所述聚合物表面所需的可官能化反应性基团足以保持所希望的润滑液。然后可使用氯硅烷偶联、酰胺耦联、缩水甘油基(glicydyl)化学等实施所述功能化。
5.蓝宝石表面可以使用高能激光处理以达到相当数量的化学官能团的设置。
6.可使用适当的刻蚀剂(例如，HF、酸性piranha)刻蚀或等离子处理(如果需要的话)玻璃或相关的混合的氧化物材料，然后可使用多种化学方法使用Si-OH(或其他相关的-OH)功能性进一步修饰。例如，可使用一些市售的氟化的或非氟化的氯-或烷氧基硅烷以设置所希望的表面化学。该方式引入的全部、部分或非氟化的功能性将提供玻璃适合于保留适当选择的润滑液的表面化学。然后可根据目标应用从多种氟化的油类或非氟化的天然的或合成的液体及其混合物中选择润滑液。
SLIPS的其他潜在应用可包括在气体运输系统中使用的管材的内表面、气体运输系统内的表面玻璃、风力涡轮机的叶片(所述SLIPS型涂层可结合气体减 阻和冰的排斥)、燃气轮机和在化学和石油工业和民用目的中的输气管线。
实施例6-防腐和防垢涂层
许多金属表面具有由于接触酸、碱、盐水、氧化性和还原性的化学品和酸雨而形成的造成点蚀、脱碳导致裂缝和结构的机械故障的腐蚀问题。此外，金属、塑料、陶瓷或复合管道和暴露于水性和非水性系统的表面经受氧化物、氢氧化物或含氧酸水垢(沉淀污垢)的生长并通常发现在锅炉和热交换器中减少热传导和在油领域中的油箱和井中使它们生产能力退化的固体污垢的沉积。通常的工业污垢沉积物包括碳酸钙、硫酸钙、草酸钙、硫酸钡、氢氧化镁、氧化镁、硅酸盐、铝氧化物氢氧化物、铝硅酸盐、铜、磷酸盐、磁铁矿或铁酸镍。固体沉积物也可在化学反应器的表面形成，降低热传导，诱导不希望的化学反应例如氧化、聚合、碳化，其通过金属壁催化。
SLIPS涂层可通过形成排斥多种液体或固体，特别地，具有高酸度或碱度的液体、海水、浓盐水和硬水的表面能够防止腐蚀、结垢和不希望的固体沉积。所述涂层可在一些金属(例如铝)上直接形成或通过应用涂层材料(例如，溶胶凝胶氧化铝基勃姆石)然后通过适当化学修饰和添加不相混的润滑剂形成。在某些实施方案中，所述润滑液/适当功能化的表面组合可用作被设计以抵抗诱导腐蚀的环境(液体(新鲜、盐和海水，高度腐蚀性的化学品和废液)和其它(通过蒸发和对流暴露在腐蚀性气体、气溶胶和薄雾))的金属或金属化表面的抗腐蚀保护涂层。
图19示出了未处理的Al(左)和SLIPS涂覆的Al(右)在室温下浸在1MKOH溶液中的时间推移，显示了未处理的铝的快速降解而被涂覆的Al基本保持不变。
实施例7-用于流体收集的SLIPS表面
凝结水的有效收集对于许多工业应用，如热传递和露水收集可能是重要的。SLIPS表面即使对于小水滴也具有非常高的流动性，也导致小水滴非常快速地从气相冷凝。常规的疏水表面上的水滴具有大于60°的接触角，且没有高度的流动 性。所述液滴的边缘被牵制从而需要基底适当高的倾斜角以移动液滴特定的尺寸。相反地，对于垂直取向的表面，液滴在变得可移动前必须达到临界体积(Vcrit)。图20(上部)显示了涉及在常规疏水表面上水滴的成核、凝聚和滑动的步骤。SLIP表面的Vcrit比常规的疏水表面(图20B，下部)要低很多。因此，水滴凝聚和滑动比在常规表面上容易很多，且凝结物收集的效能和速率要高很多。此外，由于来自凝聚事件的大能量(这在其它表面上将被摩擦力使用掉)因此通过聚集更多的液滴促进液滴的快速生长，SLIPS上凝结的液滴倾向于突然快速移动。该过程促进了在液体通过蒸发回到大气之前SLIPS涂覆的表面上的凝结的液滴的收集。
旋涂最大的缺点是缺乏材料效率。只有2-5％的全部分散材料被使用，而剩余的转至涂覆碗状物的表面并被处理。不仅材料本身的成本(例如，半导体工业中使用的光刻胶)逐渐增加，而且适当处理这些材料的成本也增加。用作旋涂器本体的材料通常是可容易被SLIPS，例如勃姆石涂层涂覆的金属或塑料。该具体应用不要求光学清晰度和机械耐久性。可能的产品是以当需要时使用者可粘附和更换的SLIPS涂覆的旋涂器或SLIPS涂覆的衬里/套筒的形式。所收集的材料应该能够重复使用并能够降低半导体器件的生产成本。
实施例8-用于抗涂鸦的SLIPS表面
测试了用SLIPS部分处理的表面及涂料和粘着剂的粘附。如图21所示，SLIPS处理的表面高度抗喷漆而未用SLIPS处理的表面不能排斥所述喷漆。如图22所示，SLIPS处理的表面高度抗粘着剂而所述粘着剂非常容易移除和离开而无残留。相反地，所述粘着剂强烈地粘附在未用SLIPS处理的表面且移除时有残留。因此，SLIPS表面可用作抗涂鸦标志。
实施例9-通过逐层沉积工艺组装的SLIPS
在该例子中，利用逐层工艺以在给定的基底上交替组装带正电的聚合电解质和带负电的二氧化硅纳米粒子。通过硅烷化学和与化学成分匹配的润滑剂的输注的粒子表面修饰产生稳定的排斥任何不相混的第二液体的基底/润滑剂界 面。该涂覆方法使用来自水溶液的吸附并因此是环境友好的且可用于任意表面，假定它们可以接触水。该过程是完全可扩展的且易于自动化。
图23A示意性地示出的表面涂层的制备。负电荷被引入所述基底上(i)并随后带正电的聚合电解质层(ii)和带负电的二氧化硅纳米颗粒层(iii)被吸附以形成杂化薄膜，所述薄膜可以但不一定必须煅烧生产的多孔二氧化硅涂层(v)。氟代硅烷化(vi)后，氟化的润滑剂浸渍到所述涂层(vii)且将不会被轻易滑落所述基底的第二不混溶的液体取代(viii)。
在某些实施方案中，通过等离子体处理、紫外臭氧或浸在碱性piranha中在基底上形成负电荷。然后将所述基底浸在带正电的聚合电解质(聚二烯丙基二甲基氯化铵，PDADMAC)溶液中，洗涤并浸入带负电的LudoxTM二氧化硅纳米粒子溶液中。静电引力导致模糊无序的聚合物和纳米颗粒膜的形成。将组装的杂化膜煅烧或等离子体处理以移除所述聚合物并留下无序的多孔二氧化硅纳米颗粒在所述基底上组装，然后用1H,1H,2H,2H-(全氟辛基)-三氯硅烷对其表面硅烷化以引入氟化的表面功能性。与所述涂层的表面化学匹配的氟化的润滑油(DuPont KrytoxTM 100)渗入所述多孔结构。表面结构和润滑剂之间的匹配的表面化学产生强的亲和力并导致其中第二不混溶的液体不与固体基底接触的固体/润滑剂/液体体系总表面能量最小化。如果实现该标准，所述润滑剂层将不被其它液体取代并因此能够通过钉扎点的消除高度有效地排斥多种不混溶的液体。
也可使用表面化学和润滑作用的任何其它组合，包括但不仅限于使用烃油、橄榄油、向日葵油等的烷基-硅烷，使用水或乙二醇等的聚乙二醇化的或亲水的硅烷。
图23B示出了煅烧后拍摄的使用不同沉积周期制备的二氧化硅纳米颗粒涂层的SEM图像。可见随着沉积周期的增加颗粒数目和膜密度明显增加。石英晶体微天平(QCM)测量进一步表明了在前两次周期后二氧化硅纳米颗粒与各沉积周期接触增加(图24A和24B)。这允许所述涂层的总粗糙度和厚度的精确调 整。润滑基底的UV-Vis-NIR投射测试表明对于所有涂覆的基底相对于参考的载玻片在整个可见光谱范围内透光率的增加(图24C)。发现随着层数的增加透射比轻微增加，这归因于导致更多减少光反射的扩散界面的表面粗糙度的增加。
通过使用水和辛烷作为测试液体的接触角和滑动角的测试量化所述涂层和不同数目的沉积层的排斥性能。随着层厚度的增加，对于4个或更多的沉积循环，在氟代硅烷化后的静态水接触角稳定增加并达到120°的水平，这表明了表面被二氧化硅纳米颗粒全覆盖。因此，由于二氧化硅纳米颗粒非常小的尺寸和缺乏分层的上层构造，干的涂层不具有超疏水性能。因此，放在涂覆表面的水滴经受强的牵制且只在倾斜至非常高的基底角度后滑动(图25A，浅灰色柱)。相似地，辛烷液滴被牵制，但由于它的低表面张力，它在约35°时开始移动(图25B)。然而，它留下了玷污的表面。润滑剂的加入对排斥性能有强的作用。对于存在于润滑剂层上部的液体，钉扎点的缺乏导致在非常低的接触角滞后和约2°的滑动角下对水和辛烷高度有效的排斥(图25A-25B)。图25C和25D示例性示出了在倾斜角为2°的涂有5层二氧化硅纳米颗粒的润滑基底上水和辛烷液滴的高度有效的去除。对于具有至少3层(辛烷)或4层(水)的涂层，以滑动角降到5°以下为特征，实现了有效的液体排斥性(图25A-25B)。低的滑动角，暗示钉扎点的缺乏，表明了在3或更多沉积循环的涂层中表面粗糙度足以能够稳定排斥，因为润滑膜不被将被排斥的液体取代。
基于溶液的组装方法允许任意形状表面的涂层。在图26A-26D中，显示了从涂覆的玻璃瓶内部蜂蜜的有效排斥(图26A，下行)和从玻璃管内部的原油的有效排斥(图26B，下行)随时间推移的图像，通过清晰的液体滑动而不粘附在表面上使其可视。选择蜂蜜和原油作为不能从未涂覆的表面移除的非常粘附的复杂流体的例子(图26A-26B，下行)。相似地，其它复杂流体(二甲基甲酰胺中的PMMA溶液、芥末)可轻易地从任意形状的玻璃物体例如化学烧瓶和高度弯曲的试管表面上排除。逐层沉积工艺可应用于多个种基底材料。对该工艺的唯一要求是在所述基底表面上产生电荷的可能性，这可通过多种方法实现， 包括用氧等离子体、紫外臭氧、酸性或碱性piranha或电晕放电器处理。处理时间可选为足够短以不降解基底材料，因为非常短的暴露足以产生带电界面。图26C和26D通过显示玷污的辛烷液滴在15°的角度下滑动而不在表面上留下痕迹，示例性示出了憎一切物质的成功组装、金属(不锈钢)和聚合物基底(聚甲基丙烯酸甲酯)上逐层二氧化硅纳米颗粒涂层的高度排斥性。使用相同的处理，未处理的基底被完全玷污(图26C和26D，上行)。成功涂覆的表面的进一步的例子包括铝、聚丙烯和聚砜。
表3通过比较未涂覆样品、氟硅烷化的逐层二氧化硅纳米颗粒涂层和添加润滑剂后的相同涂层的水和辛烷的滑动角量化了所有测试基底的润湿行为。所有未经涂覆的样品不能移除水，因为即使在倾斜所述基底至90°后液滴仍保持于被牵制，且这些样品被辛烷润湿和粘附。表面涂层的引入一致地改变了所有样品的润湿性能但对所述两种液体都显示了高的接触角滞后和滑动角。所述表面上辛烷污点的存在表明干的涂层不能排斥所述液体。所有涂覆的、润滑的样品显示非常小的滑动角、接触角滞后且无污点，因此说明了作为低表面张力液体的例子的水和辛烷的高度排斥性。
表3 水和辛烷在涂覆有逐层二氧化硅纳米颗粒涂层(7沉积层)的不同基底上的滑动角
*滑动后辛烷液滴在表面上留下污点
**滑动后表面上无污染
总之，引入有效的液体排斥性的简单涂层以被证实用于多种完全任意形状的材料。通过逐层沉积带正电的聚合电解质和带负电的二氧化硅纳米颗粒制备所述表面结构。在二氧化硅纳米颗粒氟硅烷化后，氟化的润滑剂渗入所述多孔涂层并通过匹配表面化学稳固地保持在固定位置。润滑剂和基底强的亲和力阻止了第二液体与基底接触并保持在润滑剂层的顶部，润滑剂层的流动性能产生无钉扎点的非常滑的界面。因此，液体易于从基底滑落。该过程中应用的二氧化硅纳米颗粒的小尺寸不干扰可见光波长的光并因此产生完全透明的涂层。已成功证实了作为低表面张力液体的水、辛烷和多种复杂流体在任意形状的陶瓷、金属和聚合物表面上的成功排斥。从概念上讲，该沉积过程简单、成本低、基于水性溶剂并因此环境友好、完全可扩展并易于自动化。本方法因此组合了所有的先前报道的液体灌注涂层卓越的性能，对于可接近的基底材料、形状和尺寸具有前所未有的简单和功能化程度。
实施例10-通过逐层沉积工艺在PDMS基底上组装的SLIPS
PDMS是广泛应用于医疗器械，例如用于导尿管的材料。同时，它是精选的用于微流体技术的材料。因此，PDMS上的排斥涂层是相关的。逐层吸附工 艺应用在氧等离子体处理1分钟的PDMS上以诱导负的表面电荷。利用图23A中所示的逐层组装技术以形成SLIPS表面。
水和十六烷的接触角滞后和滑动角(20μl)的测量证实了排斥涂层的存在，如在图27A-27D所示。
此外，图28比较了张力(0％-20％)对逐层涂覆的润滑剂浸入的具有0层(参考，上部)和9层(下部)的PDMS的光滑性能的保持的影响。正如所示，具有大量的张力时，保持了光滑性能。
实施例11-来自溶胶-凝胶得到的纳米多孔勃姆石纳米纤维纸的SLIPS
SLIPS的另一个潜在类别是基于使用高长宽比的勃姆石纳米纤维的独立的纳米多孔薄膜(films)/薄膜(membranes)。可使用溶剂热合成法制备高长宽比的勃姆石纳米纤维。
图29A-29D示出了由勃姆石纳米纤维制备的这样的多孔“纸”的SEM图像。正如所示，勃姆石纳米纤维倾向于排成一行。
实施例12-独立的勃姆石膜
在一个类似于实施例11的实验中，6.8g异丙醇铝(前驱体)逐滴加入到被加热至75℃的60mL水中以使所述前驱体的水解最大化。如果前驱体太快加入，有颗粒过早自缩合导致团聚的大块而不是纤维的形成的潜在可能。一旦加入了所有的前驱体，将溶液加热至90℃以使异丙醇(反应的副产物)蒸发。然后将热溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢压力容器并将6.1g冰乙酸在搅拌下缓慢加入所述溶液以降低pH至～3。乙酸除提升勃姆石沿颗粒的一个平面单向生长外也增加了前驱体的水解速率。将高压釜加热至150℃6-24h。反应时间直接关系到所得到的纳米纤维的长度，较长的反应时间导致较长的纳米纤维。对所得溶液的滴铸样品实施TEM表征以测定纳米纤维的纵横比。
将该反应形成的溶液稀释至约2.8wt.％的纳米纤维并加入1wt.％的聚乙烯醇(3000-4000MW)。对该混合物超声30min并在真空下对所形成的溶液脱气。将所述溶液浇铸在聚四氟乙烯衬里的盘中并在烘箱中40℃的温度下缓慢干燥 48-72h。所形成的独立的勃姆石纳米纤维膜可从所述盘中轻轻剥落。图29E显示了具有一些团聚颗粒的单个溶剂热勃姆石纳米纤维的TEM图。图29F显示了滴铸在铜导电胶上的捆绑的勃姆石纳米纤维的SEM图。
可通过调整勃姆石纳米纤维和聚乙烯醇的浓度调整膜的厚度。
通过铝溶胶-凝胶路线对标准SLIPS程序的调整可成功更改为产生具有较大范围的应用方法的可比较的表面。
实施例13–用于SLIPS应用的碳纳米纤维-环氧树脂表面
从Miller-Stephenson购买环氧树脂EPON 862和固化剂EPIKURE W，从Sigma-Aldrich购买碳纳米纤维，石墨化的(无铁)，并从Sigma-Aldrich购买丙酮。
通过在超声浴中将MW-CNT纤维浸入丙酮中30分钟，然后将Epon 862环氧树脂溶液加入到所述CNT/丙酮混合物中来制备环氧基碳纳米管复合物。丙酮减少了环氧树脂的粘度使CNTs的更好分散成为可能。在大力搅拌下将CNT-丙酮/Epon 862的溶液逐渐加热至70℃以移除残留的丙酮，然后以100:25的比例将Epikure固化剂W加入至Epon 862并再搅拌30min。在真空下实施脱气以移除在混合过程中产生的气泡。在真空烘箱中70℃下固化样品48h。用等离子体刻蚀来刻蚀环氧基体。
图30A和30B示出了在等离子刻蚀之前分散在含氧树脂基体内的多壁碳纳米管的(A)顶视图和(B)横截面的HR-SEM图像。
实施例14–超疏水氧化铝纳米颗粒和它们的纳米复合物
可使用具有固有的良好机械性能的材料用于制备SLIPS的纳米多孔表面。图31A示出了一个产生表面功能化的氧化铝纳米颗粒(AlNPs)的方法，该AlNPs用作纳米复合物中的填充材料，从而达到足以形成坚固的SLIPS的疏水性。
如图31A中所示，AlNPs天然地具有中立的原生氧化层。然而，对于使用化合物例如有机膦酸和有机磷酸酯的表面修饰，需要高密度的表面羟基。如在图31A的步骤1中所示，这通过在搅拌下以4:1的H2SO4(0.1M):H2O2(30％)比 例应用芬顿化学(铁催化的温和的Piranha溶液)更长的时间实现。
图31B显示了在不同芬顿化学处理时间得到的AlNPs的O-H伸缩振动的标准化的FTIR吸收光谱。‘X’表示没有修饰，‘XOH’表示使用O2等离子体处理的表面修饰。
接下来，如图31A的步骤2中所示，羟基化的AlNPs充入具有氧化锆研磨分散介质的FS100溶液中并在球磨机中旋转。这使颗粒的去团聚和表面修饰最大化。修饰后，通过离心重新获得AlNPs并用乙醇冲洗至少三次以移除任何过量的表面活性剂。在真空存在下在70℃下过量的溶剂从所述颗粒中蒸发。
表面功能化的AlNPs现在可重新分散在相容性溶剂例如氢氟醚(HFE)或2,2,2-三氟乙醇(TFE)中。所形成的分散体可用于铸膜至氧等离子处理的玻璃基底上且在高温下所述溶剂蒸发。为永久将颗粒结合在基底上，1)可用混合的配体(例如，氟化的和丙烯酸酯)修饰所述颗粒，2)使用环氧树脂、聚氨酯或类似的粘合剂。为减少所述环氧树脂的粘度，以5:1w/w的比例加入丙酮，并对所形成的溶液超声处理直至其形成均匀的混合物。然后以4:1w/w的比例加入固化剂并超声30分钟。然后将功能化的AlNPs均匀涂覆在所述环氧树脂上并放置在70℃下烘箱中48h以充分固化所述环氧树脂。最初的定性观察显示所形成的表面为超疏水性以支持SLIPS且比传统的氧化铝溶胶-凝胶涂层具有更加多的机械坚固性。另一方面，AlNPs可作为填充材料在可固化的纳米复合物中，具有不同的体积分数，并然后应用于表面以形成纳米多孔膜以支持SLIPS。
环氧复合物中的功能化的AlNPs提供氧化铝溶胶-凝胶涂覆的基底的替代选择，该选择具有增强的机械性能。
实施例15-具有坚固的憎恶一切物质性的涂有润滑的纳米结构的纤维织物
耐沾污和压力稳定织物的发展对于消费者和工业应用等都是需要的，然而这具有一个挑战：现有技术已不能完全解决。这里出现了合理设计并优化的纳米结构化的注入润滑剂的织物。所述改进的织物表现出比传统超疏水(TSH)纺织处理显著改进的性能：SLIPS功能化的棉和聚酯织物表现出下降的接触角滞后 和滑动角，对各种流体包括极性和非极性液体的排斥一切物质性能，压力容限和机械稳健性，这些通过最先进的超疏水涂层是不容易实现的。
如图32中所示，开发了两种方法以产生纳米尺度的表面粗糙度：I)用二氧化硅微粒(SiM)涂覆纺织用纤维，和II)在所述纺织用纤维上由溶胶-凝胶氧化铝处理形成勃姆石纳米结构(SgB)。如图所示，在示意图(A-D)中描述了用SLIPS功能化的单个裸纤维。用二氧化硅微粒(SiM)或溶胶凝胶勃姆石(SgB)方法(B)粗糙化裸纤维(A)并对其氟化以在应用润滑膜(D)之前达到与(全氟乙醚)聚合物Krytox(C)的化学相似性。这赋予对范围广泛的流体耐压性、自愈排斥性。流程图(E)包括更多关于应用于棉和聚酯织物的SiM和SgB功能化方法的具体信息。根据氟化作用和随后的润滑剂的渗透，可由两者之中的任一方法制备SLIPS织物。
将这两个表面修饰方法应用于7个不同类型的织物样品-两个棉和五个聚酯(PE)-并通过量化静态接触角、接触角滞后、机械应力后的液体排斥、压力容限和透气性评估非润湿性能。这里的表征强力证明了SLIPS织物具有不同于基于先进技术的传统超疏水材料难以达到的独特的液体排斥性、耐久性和压力耐受性的组合。
从Sew-Lew Fabrics(剑桥，MA)购买Dense聚酯，从MicroFibres公司购买微纤维聚酯，从City Sports(剑桥，MA)购买的Nike Dri-Fit 100％聚酯运动短裤上剪下Nike聚酯。剩余的织物购买自附近的织物店，包括在剑桥，MA的Sew-Lew和在Boston，MA的Winmill Fabrics。关于术语，“纤维”扭曲在一起制成“线”，这些线依次编织成为织物。在二氧化硅微粒沉积之前处理聚酯织物。通过酯键的亲核酰基裂解反应，胺类易于与聚酯反应用于表面活化。首先用DI水、乙醇，然后用己烷清洁5-8个2x2cm正方形聚酯。在向织物加入1％的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES,Sigma Aldrich)在无水甲苯(Sigma Aldrich)中的溶液之前，在70℃下干燥织物至少1h并用热风器进一步干燥，并在干氮下65℃下搅拌24h。然后移除样品，用甲苯冲洗数次并在真空下干燥。将干燥的样品 浸入去离子水中过夜，去除，用水冲洗，并在真空下干燥至少3h，然后浸入1％的正硅酸乙酯(TEOS)水溶液4-8h。用水洗涤样品并干燥过夜，然后进行二氧化硅颗粒的沉积。
实施二氧化硅微粒在棉或活化的聚酯上原位聚合以得到用于SLIPS的粗化的基底。在反应之前用水、乙醇和异丙醇清洁运动衫棉和平纹细布。将所制备的样品浸入甲醇和异丙醇1:3的混合物、20mL氢氧化铵(Sigma Aldrich,St.Louis MO)和12mL TEOS(Sigma Aldrich,St.Louis MO)中。所使用的所有溶剂和化学品没有经过进一步的修饰。在室温下搅拌所述混合物6h，用甲苯大量分离和漂洗样品数次。用压缩空气吹干燥的织物以移除任何残留的不紧固粘附在所述织物纤维上的脱离颗粒。然后氟硅烷化作用赋予所述织物表面超疏水性。
用1H,1H,2H,2H全氟辛基三乙氧基硅烷(Sigma-Aldrich)或全氟十二烷基-1H,1H,2H,2H-三乙氧基硅烷(Gelest)氟硅烷化粗化的二氧化硅基表面。将4.8％的硅烷储存溶液和>99.7％的乙酸等量混合在200份试样乙醇中(即，以上述成分的1:1:19的比例)。此后，搅拌混合物60min(以允许充分低聚)，将所述织物浸入所述混合物2-4min并允许悬干。硅烷链粘附在所述织物的二氧化硅涂层表面并赋予所述粗糙表面超疏水性。二氧化硅微粒(SiM)沉积是用于在棉织物上赋予微尺度表面粗糙度的有效方法。图33概括了这一可扩展性方法的步骤。可能需要少量的步骤以实现所需的表面处理用于化学活化，富羟基棉织物。为诱导二氧化硅颗粒与更多惰性聚酯的共价粘附，采用两步表面活化过程，其中使用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)分裂聚酯随后与TEOS反应形成二氧化硅状表面功能性。使用FTIR确定各织物表面的化学成分。一旦实现二氧化硅状表面化学，在所有织物样品中合成均一的颗粒以最终形成粗糙的纳米结构化的表面。最后，将织物浸入全氟烷基-硅烷/乙醇溶液中以赋予所述粗糙表面超疏水性，从而完成SiM功能化。
用氧等离子体清洁所有棉和聚酯样品300s(250瓦，氧流速15cm3/min)。将清洁后的样品浸入氧化铝溶胶-凝胶前体中。10min后，移出织物并在70℃下 干燥过夜。将干燥的样品浸入95℃水浴中15min以产生勃姆石纳米结构，移除，干燥，然后在70℃下浸入1％的FS-100、全氟烷基磷酸酯表面活性剂(Mason化学公司)的乙醇溶液(Chemguard公司，Mansfield，TX，USA)1h。用乙醇漂洗样品并干燥过夜然后实施接触角和SEM分析。在铝和80-100℃水间反应形成的勃姆石是交叉单叶(leaflets)的纳米尺度的AlO(OH)的致密网络，其可被氟化以成为有效的超疏水表面。使用图33中示意性示出的溶胶-凝胶方法以用勃姆石纳米结构涂覆织物。
SgB或SiM功能化的样品表面对氟化的油类具有强的亲和力。为避免过量的润滑作用，将全氟聚醚润滑剂KrytoxTM(Dupont公司)通过样品应用至棉芯，并通过用Kimwipe接触样品表面去除过量的全氟聚醚润滑剂。约30-100μL的油注入4cm2的材料，这取决于样品的厚度。
用Zeiss Supra场致发射显微镜实施SEM表征。在SEM表征之前通过Pt-Pd溅射60-150s涂覆样品。
使用接触角测角仪(CAM 101，KSV仪器，分辨率＝0.01o)在室温下记录接触角。10μL的DI水滴用于所有的静态接触角测试。通过使用注射器针头缓慢增加和降低液滴体积，同时使液滴运动成像，从这些图像中分别测试前进和后退接触角，并使这些值的平均值相减，得到接触角滞后(CAH)值。对于静态、前进和后退接触角实施至少7个独立的测试。
对于扭曲实验，2x3cm SiM或SgB织物样品安全放在两个中等尺度的钳式纸夹之间，通过将其中一个夹子粘贴在挂钩上悬挂所述装配。通过旋转未束缚的下部的夹子将织物扭动±360°；规定第一次扭动为360°顺时针旋转然后恢复到平衡位置，第二次扭动是360°反时针旋转然后恢复到平衡位置，等等。在特定的扭曲次数(0、5或50)后，测量20μL的DI水滴的滑动角至少3次。滑动角是液滴开始沿着表面无阻塞活动时的倾斜角。滑动角数据和SEM表征提供了由扭曲实验引起的性能恶化的完整的画面。
用胶带将SgB或SiM织物样品固定在表面上并用卷起的Kimwipe有力擦拭 约10s。这是模拟与其他织物或周围环境接触的初步磨耗实验。通过在摩擦前后测试防水性定性观察损坏，SEM表征显示了发生在所述纳米结构的物理损坏。
使用美国纺织化学家和染色家协会(AATCC)试验#193分析非润滑的(TSH)和润滑的(SLIPS)织物样品对低表面张力水性测试液体的排斥性。制备八个测试液体，所述测试液体由去离子水中不同体积分数的IPA组成。以最高的表面张力液体开始，将测试液滴施加于所述织物样品表面并允许放置30s。然后观察液滴以评估织物的润湿性：如果织物不被润湿，那么对下一个测试样品重复该过程，如果表面被润湿，则所述织物得到对应于先前施用的测试液体(即，被织物排斥的最低表面张力液体)的分值。如果测试液体仅轻微地润湿所述表面，所述织物被分配一个一半于先前和当前测试的液体之间的非整数分值。最大的分值可达到8，如果所述样品不被任一测试液体润湿。
使用AATCC试验#188以测试对下降的表面张力的烷类的排斥性以表征对油类和其他非极性液体的排斥性。该测试与水性液体排斥性测试非常相似：液滴放置于TSH和SLIPS样品上10s，然后观察润湿行为。再次，所述液体的不润湿所述表面的最低表面张力的液体决定分值。可分配非整数分值，只要发生部分润湿，且当即使测试液体8即测试中最低表面张力的液体不润湿所述织物的表面时也可达到最大值8。
用液滴冲击试验测试织物样品对高和低表面张力的受压液体的耐受性。将移液管固定在织物样品上20.3±0.5cm，所述织物样品用双面胶固定在倾斜台上。10μL测试液滴从所述移液管中小心排出并以可控的速率冲击织物表面，并在冲击后立即测量液滴的滑动角。通过式P动＝1/2ρV2估算动压力，其中ρ是液体的密度且V是冲击的速度。使用运动学方程估算冲击速度，并由此正十四碳烷液滴表现出～1520Pa的动压力且水滴表现出～1990Pa的动压力。不可逆转的钉扎发生于超疏水样品且不能记录；最重要的信息来自于液滴是否滑动。
透气性测试改编自标准ASTM E96-E直立杯水蒸气透过率测试。用单一的3D印刷的小盒测试每个织物样品；用20g Drierite干燥剂(Drierite公司,Xenia OH)干燥所述小盒的内部并通过织物样品隔离所述小盒外部的湿空气，所述织物样品通过夹在适当位置的环形帽封闭在所述小盒上。在重复实验期间，通过将其放置在150℃的真空烘箱中过夜再生所述干燥剂。所述室的外部环境小心控制在保持50％相对湿度和23±1℃的定制的环境室中。该室内的最低气流防止了温度梯度和不一致性。将水蒸气注入所述室通过湿度梯度穿过样品。在初始称重后，将测试小盒从所述环境室中移出并在1、2、3、4、5、6、8、22、24h后称重，绘制各室的质量增加曲线(参见图6和图7)。为证实憎一切物质性，记录十六烷和/或去离子水液滴在润滑的样品上的滑动角。也记录24h前后的润滑的膜的质量(并因此润滑剂的质量)。涉及的典型实验高达9个小盒同时运行。在各实验中，总是出现两个控制装置以确保实验之间条件的一致性：无膜的开放式的室和用不能渗透水蒸气的封口膜(Pechiney Plastic Company,Chicago,IL)封闭的室。彼此相对测试润滑的和未处理的样品以观察SLIPS对织物透气性的影响。各样品最少测试三次，在单个实验中用三个独立的样品或用一个样品经受三个单独的实验。
织物将独特的物理特征(来自纤维-线-编织长度尺度的分级特征尺寸)、运筹考虑事项(成本、程序的复杂度)和高要求的应用(需要耐久性、透气性等)引入最终材料的设计空间。棉和聚酯(PE)是便宜的、容易获得的、应用广泛的和环境友好的。织物的编织是一个重要的参数，因为它本身具有一个比简单的平整表面复杂很多的的外形。有无数的线装尺寸、编织密度和编织模式；这些参数对SLIPS涂层的影响是未知的且需要被研究。
非常普通的编织模式是基本的正方形式编织。因为这是一个相对简单的系统，可选择多种不同的编织密度从非常高(紧密编织)至非常低(存在更大空间的松散编织)的正方形编织织物-Dense PE、Nike PE、Crepe PE和棉布棉(M.Cotton)-以研究这些参数对于开发有效的憎一切物质的SLIPS织物的作用。也测试三种不同编织模式的织物，包括随机定向的微纤维(μfiber)线、Gavadeen PE的V形编织(Gav)和Jersey棉(J.棉)的柱型编织(参见图33)。如图33所示， 正方形编织织物在顶行(A-D)以编织密度减小的顺序排列，且其它编织织物排列在底行(E-G)。两种棉织物在图的右边缘(D、G)。Dense Polyester(PE)(A)展示了具有横跨～150μm的线的紧密的正方形形式的编织，这形成了几乎平整的表面而无松散纤维。Nike PE(B)展示了较为松散的正方形形式编织并由横跨～150μm的线组成。Crepe PE(C)是最为松散的正方形形式PE织物，具有横跨～300μm的纤维。棉布棉(D)是最少密集编织的正方形形式织物，具有垂直取向的线直径～350μm，水平取向的线直径～250μm，且在线的交接点间有大间隙。注意在所述样品上松散线的存在。Gavadeen PE(E)展示了由横跨～300μm的线组成的V型编织，在图中垂直取向的纤维由较小的纤维组成而水平取向的线由较大的纤维组成，形成斜脊型结构。μfiber(F)具有形成无序的“毛状”结构的直径为～5μm的小纤维。Jersey棉(G)由宽广编织的线横跨～200μm交缠编织组成；出现许多松散的线。
根据图32中概述的程序，SiM和SgB处理和表面氟化分别导致织物被二氧化硅微粒(直径～150–500nm)或勃姆石纳米片均匀覆盖。如图34中所示，使用扫描电子显微镜评估所述溶胶-凝胶勃姆石(SgB)(A-D)和二氧化硅微粒(SiM)(E-H)在Nike聚酯织物上处理的表面粗糙度和耐久性。所有的比例尺为2μm。新处理的SgB纤维(A)显示纤维被SgB完全覆盖；在新处理SiM纤维(E)上出现引人注目的微珠覆盖。高倍率的微观结构(B，F)揭示了有利于良好的SLIPS性能的表面粗糙度。当扭曲50次时，在纤维之间的缝隙内仍存在较平滑的勃姆石(C)，而纤维的外部已变平滑。同时在50次扭曲后，SiM线(G)显示一些破裂但保持良好的微粒覆盖。在用Kimwipe有力擦拭后，SgB织物(D)在外部纤维上显示有破裂和平滑，而在相同的条件下SiM涂层保持完整(H)。
观察了液滴从这些织物表面的弹开和超疏水表面的静态接触角特性(>150°)(参见图35A)。然后用全氟聚醚润滑剂(KrytoxTM,DuPont)浸SiM处理的和SgB处理的织物，所述润滑剂稳定固定在具有特定结构的基底上。这些SLIPS织物显示了排斥宽范围流体和抗沾染的空前能力。为确定最优的SLIPS 织物参数，研究了静态接触角、接触角滞后、滞压性、耐久性和透气性。研究了在相继较小的系列样品上的三个阶段测试，如在表4中所示。
表4
为开始阶段Ⅰ的表征，测试在所有织物上的镜头接触角以量化非润滑的(TSH)和润滑的(SLIPS)样品的疏水性。用二氧化硅微粒(SiM)或溶胶-凝胶勃姆石(SgB)功能化未润滑的和用Krytox 102(K102)润滑的织物样品。用接触角测角仪测试接触角。如图35A所示，将10μL的水滴放置于织物样品表面以用于测试。图35B显示了记录的前进和后退接触角，并将这些值相减以确定滞后。N＝7；误差线是+/-SD。星号表示统计学上显著的结果(研究者双尾t测试，P<0.05)；对于各织物样品仅在SiM+K102和SgB+K102之间作比较。正如所示，各非润滑的样品具有150-160°范围内的接触角，且当应用Krytox润滑膜时，该角减少至约110-120°。为量化织物的排斥性，测量接触角滞后(CAH)，接触角滞后是液滴在表面上滑动时前进和后退接触角之间的差异且与液滴在表面上的移动性直接相关。在几乎所有的SLIPS织物样品上观察到低的CAH。图35B显示了对于14种织物样品的所有CAH数据。在非润滑的织物的情况下，具有多个钉扎来源，包括纤维状突起、结构上的缺陷和也许在表面上留下亲水区域的不完全的氟化。随着材料表面缺陷或钉扎点密度的增加，CAH值增加。 润滑剂的应用大大降低了每个织物样品滞后，除了J.棉和Crepe PE，即液滴容易在由润滑膜形成的光滑面滑动。在具有156.6°±3.1静态接触角和5.35°±3.1滞后值的SiM-SLIPS处理的Gavadeen PE情况下，观察到超疏水和SLIPS型性能的组合。看起来是，在各纳米结构化的线内部或周围的润滑剂阻止钉扎，即使所试验的液体部分暴露于非润滑的超疏水表面，这是由一个相对高的静态接触角和相对低的滞后值产生的现象。因此，为了优异的整体防水性，已制备将光滑性能和SLIPS和TSH的属性结合的织物。
使用先前讨论的选择标准减少样品池(表5)，实施测试以确定当经受摩擦和扭曲时哪种处理方法-SgB或SiM-是更稳健的，正如通过扭曲对滑动角的影响和SEM研究的涂层完整性来观察。这些试验模拟织物在多数功能性应用中可能经历的预料的磨损。
图36中显示了扭曲试验数据。用定制的装置将织物样品扭曲+/-360°，并在0、5和50扭曲后测试水(20μL微滴体积)在用Krytox 102润滑的织物样品上的滑动角。由于实验限制和与强的钉扎行为相关的大变化性，超过35°的滑动角在图36中表示为具有箭头(^)的35°。显著地，试验水滴不润湿任一扭曲50次后的织物样品。显著地，甚至当观察到钉扎时，显色试验水滴可被冲洗掉而不留下污点。
SgB Gav.和SgB M.棉是扭曲实验中最糟的执行者：即使在扭曲前，这两个织物都在35°下不能滑落，且定性观察到微滴钉扎恶化了进一步的扭曲。对于这些滑动角保持小于35°的样品，在SgB样品和SiM之间出现了明显的差异：对于SgB处理的样品，对于0、5和50扭曲滑动角有显著增加，而在SiM处理的样品上，没有显著的增加或具有稳定额外扭曲的初始增加。最显著的结果来自SgB Nike PE和SiM变体的比较：SgB样品显示了滑动角随着扭曲次数清楚的、几乎线性的增加，而SiM样品不显示明显的变化。
滑动角的增加表明被损坏的纳米结构引起润滑剂和纤维表面的亲和力下降，这归因于纳米结构的损失或归因于未被氟化的裂缝暴露的表面。SiM织物 显示比SgB织物更耐久的纳米结构。用SgB和SiM处理的Nike PE织物在扭曲前后的SEM图像证实了这一点(参见图34)。在50扭曲后Nike PE织物上的SiM层仅显示轻微损伤，然而勃姆石显示了其纳米结构的平滑和平整。自修复行为发生在SLIPS中来自润滑剂的重新分配以覆盖中度损坏并继续提供憎一切物质性。以这种方式，SLIPS织物的液体排斥性能比TSH织物更不易受损坏的影响。大量损坏的SgB织物减少了毛细作用并因此减少了润滑剂的再分配能力。在更耐久的SiM处理上是看不到该影响的。在整个扭曲中SiM Nike PE保持相同的滑动角且SgB Nike PE由于纳米结构经受严重破坏而经历了连续的滑动角增加。因此，对于稳健性，润滑的SiM处理的织物显示最好的性能。
对于附加的耐久性表征，用Kimwipe用力擦未润滑的织物样品，定性观察排斥性，并用SEM表征该表面(参见图34)。虽然排斥水的能力似乎保持不被影响，SEM表征显示了SgB处理的织物上的破裂损坏且SiM处理的织物没有损坏(参见图34)。特别地，摩擦引起氧化铝壳破裂并从织物表面分离，以与扭曲试验相似的方式。溶胶-凝胶氧化铝对纤维的粘附没有充分优化以提供足够强的耐摩擦的损伤容限。相反地，共价连接到织物表面的二氧化硅微粒显示强的二氧化硅壳和纤维间的依附。因此，SiM处理的SLIPS织物保持憎一切物质性能，即使经受磨损时。也观察到洗衣机的周期对纳米结构的完整性有非常小的影响。这进一步证明了对纳米结构的损坏可能导致润滑剂较早损失和新钉扎点的形成，降低织物的功能寿命。
考虑到上述的扭曲和摩擦试验的结果，选择SiM处理的织物用于阶段Ⅲ的测试。特别地，选择M.棉、Dense PE、Nike PE和μfiber来完成SLIPS织物的表征并显示最好的整体性能。实施抗水和烃类测试以观察低表面张力流体的排斥性，并实施跌落冲击试验以确定织物的压力容限，并实施水蒸气穿透试验以表征织物的透气性。
对于各阶段Ⅲ织物，测试SLIPS(润滑的)样品，相对于作为典型的TSH对照的未润滑的样品。将渐进地低表面张力(从对于水的72mN/m至对于60％ 异丙醇的24.0mN/m)的液滴应用至织物样品直至所试验的液滴润湿表面。表5中显示了所述四个样品的分值。
表5
明显地，润滑的SLIPS织物样品比它们的未润滑的超疏水相对物具有更高的分值。换句话说，线周围的薄润滑膜的存在阻止了否则将润湿所述非润滑织物的低表面张力液体的渗透。Dense PE达到最大值8：在水中60％的IPA不润湿所述样品且将滑落而无钉扎。M.棉、Nike PE和μfiberPE能分别排斥低至26.5、25.0和24.5mN/m的表面张力的水性液体。从这些结果中显示出一个特别有趣的趋势：SLIPS织物样品的分值与逐渐增加的紧密编织相对应。M.棉具有最松散的编织并经受最多的钉扎；Dense PE具有最紧密的编织因此表现最好。该趋势可归因于SLIPS织物表面的整体平滑度，其中即使亚毫米尺度粗糙度仍然可稍微折衷注入润滑剂的界面的超平整性。
为将测试扩展至有机液体，测试了阶段Ⅲ织物相对于矿物油和渐进较短链长和较低表面张力的烷类的排斥性。表6概括了阶段Ⅲ织物样品对烃类的排斥分值。
表6
所有测试的有机液滴被固定在TSH织物上并轻易滑离润滑的SLIPS织物样品。TSH样品，特别是M.棉和Dense PE通常具有比在水性排斥试验中更低的分值，这表明了具有甚至更低的表面张力的有机液体更倾向于渗透织物内部空间。尽管这样，润滑的样品在烃类和水性试验中的分值相互均为±1内并遵循相同的趋势：较大的编织模式引起下降的低表面张力的排斥性。再次，稠密的聚酯样品具有对所有测试样品的排斥性并达到最大可能的分值8。足够稠密编织的SLIPS织物可支持排斥宽成分、极性和表面张力的液体化合物的润滑膜，这是一个耐沾污、以织物为基础的材料的显著的进步。
在某些实施方案中，可使用具有超出100、200、300和400线/cm2的编织密度的织物。如本文所用，可通过获得织物的SEM图像，在图像区域内计数水平横穿织物的线的数量来计算编织密度。
润滑的织物另一个重要的优势是它在压力下保持其光滑、憎一切物质的性能。为评价阶段Ⅲ织物样品的压力稳定性，用水(表面张力＝72.4mN/m)和正十四碳烷(表面张力＝26.55mN/m)实施跌落冲击试验，从20.4cm的高度跌落以达到图38中所示的圆圈标记的动压力。图38中显示了跌落冲击试验的结果：对于给定表面张力的液体，使用所显示的动压力在跌落冲击表面后立即确定滑动角。SiM-SLIPS Nike PE和Dense PE在高压下(>1500Pa)保持它们的液体排斥性而典型的荷花型TSH表面在400Pa下不能保持液体排斥性。测试液体在SiM-SLIPS处理的微纤维织物上的滑动角在高冲击后增加，然而仍观察到滑动。这表明了有在其无序的表面上由许多突出的纤维渗透的SLIPS层。未润滑的样品的滑动角没有包括在内，因为该压力高于Cassie-to-Wenzel过渡发生的阈值；水滴强烈固定在表面上并将不从甚至垂直的表面上滑落，而正十四碳烷液滴正 如预期地简单地润湿织物。SiM-SLIPS Nike PE在由降落测试液体施加的碰撞压力后显示低于10°的滑动角(10μL液滴)，而未润滑的SiM Nike PE在相同的条件下显示不可逆的钉扎。图38显示了不同表面张力和动态冲击压力的液体不引起SLIPS织物的滑动角的显著增加。正如基于织物编织的紧密度和表面光滑度可以预期的，Dense PE和Nike PE均在该试验中显示最好的性能，具有冲击后8.8±1.0°和20.9±2.0°的滑动角。由于取向约为织物表面法线的松散纤维的存在，在冲击压力后微纤维显示～10°的滑动角增加。值得注意的是，尽管液滴牵制，润滑的纤维既不被润湿也不被测试液体玷污，且被牵制的液滴可容易地被洗掉离开表面而不留残渣。
透气性，或更具体地说，水蒸气穿透率(WVTR)，是决定SLIPS织物合适应用的重要因素。对于每个实验，通过两个控制测试非润滑和润滑的样品：由(不可渗透的)封口膜封闭的小盒和开放的小盒。在所有情况下，润滑的织物相对于非润滑的样品具有较大的透气性下降。表7概括了织物和PTFE控制24h后的WVTR质量变化。
表7
除M.棉外的所有SLIPS样品(用Krytox 102润滑)在透气性上没有显示出与封口膜控制的统计上的显著差异。非润滑的μfiber、Nike PE和棉样品显示相似的透气性，尽管在它们的相对编织模式和编织密度上有大的差异。同时，μfiber、Nike PE和Dense PE均不显示透气性(即，与封口膜控制没有不同)而最少浓密的编织织物的棉显示显著(但仍然低的)透气性。这暗示存在某种宏观尺度的孔径阈值，在该阈值上Krytox不以毛细作用穿过，留下空气和水蒸汽可以流动的空间。
虽然荷叶效应超疏水表面已经被彻底研究多年并继续显示进展，它们的设计具有一些基本的缺点：将总是限制憎一切物质性、抗沾污性、耐久性和压力容限。SLIPS克服了这些问题，且已设计出使用现成的织物作为基底达到有前途的效益的纳米结构化的涂层。润滑的结构化的表面相比较于TSH表面显示优异的压力稳定的和耐损伤的对极性和非极性液体的排斥性。这些润滑的纳米结构涂覆的织物可排斥水、油、污垢和泥浆；因此，帐篷、靴子和其他外套将会得到明显的改善。在极端的、受污染的环境中(其中透气性不是最关键的因素)的需要的应用中，SLIPS织物可能已经提供了一个独特的解决方案作为稳定的、 防污材料用于军事战术套装、医用长袍和实验袍、建筑和制造专业服装。SLIPS织物在以织物为基础的基底上赋予耐压和耐损伤的憎一切物质性。
本领域技术人员将会容易地领会到这里描述的所有参数和配置意在是示例性的，且实际的参数和配置将取决于使用本发明的体系和方法的具体应用。本领域技术人员将认识到，或者能够确定仅仅使用常规的实验，许多等同于本发明的特定实施例。因此，应理解仅以实施例的方式给出了前述实施方案且可不按具体描述实践本发明。相应地，本领域技术人员将认识到所述实施例不应被如此限制。本发明涉及本文描述的各个体特征、体系或方法。此外，两个或多种这些特征、体系或方法的任一组合包括在本发明的范围内，如果这些特征、体系或方法不是相互矛盾的。