超疏表面凭借优异的液体排斥能力，在流体减阻、防污、腐蚀防护及热管理等领域展现出广阔的应用前景。其中，具有Re-entrant边界的微结构能够通过稳定液-气界面、增强接触线钉扎等，有效维持Cassie-Baxter状态，从而实现对低表面张力液体的高效排斥。然而，现有制备方法多依赖光刻、模板复制或复杂后处理，在金属基材表面实现大面积、高效率及曲面制造仍存在局限。
近日，我校机械工程学院先进表面制造课题组张磊副教授与孙吉宁教授提出受限剪切诱导结构离散化（confined shear-induced structure discretization，CSSD）机制，并开发金属Re-entrant结构单步制造方法。研究团队设计洞穴-梯形槽复合切削刀具（cave-trapezoid cutting tool，CTCT），利用切削过程中材料的受限输运和剪切变形，使连续材料周期性积聚、剪切并分离，直接形成离散Re-entrant微结构。该方法可以在平面和曲面金属基材上进行连续加工，材料去除率达到1.068 mm³ s⁻¹，加工面积达到1.5×10⁴ mm²；加工区域的平均显微硬度和弹性模量分别提高了78.32%和52.18%（图1）。相关研究成果以“受限剪切诱导结构离散化实现金属凹角超排斥表面”（Confined shear-induced structure discretization enables re-entrant super-repellent metals）为题，发表于《自然通讯》（Nature Communications）。
图1.受限剪切诱导结构离散化及Re-entrant结构形貌
为揭示结构形成机制，研究团队结合理论分析与有限元模拟发现，CTCT前刀面凹槽可限制材料侧向流动并促使其沿沟槽积聚。当沟槽壁摩擦力与材料变形阻力达到动态平衡后，局部剪切变形持续累积并触发结构离散化。材料性质和刀具几何参数共同决定离散行为，其中凹槽深度和沟槽尺寸可有效调控结构间距与尺寸（图2）。
图2. CSSD机制及离散结构形成过程
基于CSSD机制，研究团队利用超精密金刚石车削平台开展结构制造研究。结果表明，刀具凹槽几何是调控结构尺寸的主要因素，而在稳定加工区间内，切削速度和切削深度对结构尺寸影响较弱，可实现Re-entrant结构形貌和间距的可控构筑（图3）。
图3.金属Re-entrant结构的高效制造
为验证Re-entrant结构对液体排斥性能的作用，研究团队进一步系统研究了结构间距及Re-entrant几何对表面润湿行为的影响。在本征接触角约75°的亲水铜表面，通过构筑Re-entrant结构并进行表面硅烷化处理，可获得稳定的超疏状态，表面水接触角达到161.7 ± 2.2°，接触角滞后仅为7.4 ± 2.3°，滚动角为5.0 ± 1.4°。值得关注的是，通过进一步优化结构间距及刀具尖端宽度，能够排斥表面张力仅为27.5 mN m⁻¹的正十六烷，接触角达到154.9 ± 3.1°，表明该方法不仅能够实现传统超疏水表面的水滴排斥，还能够拓展至更广泛的低表面张力液体。
图4. Re-entrant结构表面的液体排斥性能
研究团队还通过砂纸磨损、落砂冲击、水流冲击和胶带剥离等测试评估结构耐久性。经过1000次磨损后，Re-entrant结构仍保持足够完整，水接触角为142.4±2.1°。在14.7 kPa静水压力下持续72 h后，表面仍保持稳定液体排斥性能；冰剪切强度较原始铜表面降低90.88%。在−20 °C过冷液滴冲击和最高4.6 m s⁻¹高速液滴冲击条件下，液滴均未发生明显浸润（图5）。
图5. Re-entrant结构的机械耐久性及表面功能性
该研究提出的CSSD机制将传统机械切削中的材料塑性流动转化为可控的微结构离散过程，与依赖复杂微纳加工及后处理的传统方法相比，该方法基于超精密机械加工平台，通过单步连续切削即可在平面和曲面金属基材上实现大面积Re-entrant结构制造，在加工效率、结构耐久性及工程尺度扩展等方面展现出明显潜力。研究成果不仅为超疏金属表面的高性能制造提供了新的技术路径，也为防冰、防污、腐蚀防护、减阻及热管理等领域的功能表面设计提供了新的制造策略。
该研究得到了国家自然科学基金（批准号：52205184）、大连理工大学青年教师启动基金以及企业横向项目的支持。我校机械工程学院博士研究生王选尧为该论文第一作者，机械工程学院张磊副教授与孙吉宁教授为该论文共同通讯作者。近年来，机械工程学院先进表面制造课题组围绕功能表面结构制造、界面调控及先进机械加工开展了系列研究，致力于建立从材料去除、微结构形成到界面功能调控的跨尺度研究体系。此次CSSD机制的提出，为机械加工过程中材料流动行为的主动调控及功能微结构的规模化制造提供了新的研究思路。
