对话中科院理化所董智超:灵感来自弹尾虫,“MARS”织物如何实现让冲锋衣不怕洗?

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第152期，对话中国科学院理化技术研究所研究员董智超。

嘉宾简介：

董智超，中国科学院理化技术研究所研究员。2019-2022年美国化学会Langmuir杂志青年编委（全球6人，中国唯一入选人）；2020年入选中国科协青年人才托举工程；2021年获得基金委优青资助；2024年获得国家级专项经费支持。研究方向为仿生液体绕流界面材料。

划重点：

1.“MARS-Fabric”的研发灵感来自自然界中的弹尾虫，因为它的表皮天生就具有非常强悍的机械稳定性和防水能力。

2.MARS技术在纤维表面直接构建了有序的、无氟的二氧化硅壳层。这层壳不是简单物理堆叠，而是通过一步法原位反应，在单根纱线纤维表面化学生长出来并紧密排列。

3.经MARS处理的面料，在手感和体验上就像普通棉质衣物一样柔软、易于折叠收纳，并且可以放心地把它扔进洗衣机常规机洗，不用担心防水层轻易剥落。

4.谁能率先打通这条从实验室直达大规模生产的智能化快车道，谁就真正登上了下一代新材料领域的“珠穆朗玛峰”。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨锦

爱穿冲锋衣的朋友们总会有这样的纠结：衣服脏了，洗，怕防水层越洗越弱；不洗，汗味和污渍又实在忍不了。

防水与耐洗，似乎天生就是一对矛盾。

但最近，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队董智超研究员、郝德昭博士和中国科学院化学研究所吴磊副研究员合作，开发出了一种名为“分子组装稳健超疏水壳层”（MARS）的一步法技术。让这个难题有了新的解法。

这项技术通过在纤维表面直接构建共价键合的、有序且无氟的二氧化硅壳层，不需要使用离散纳米颗粒或含氟化学物质，就可以赋予天然、合成纤维持久的超疏水性能。

MARS处理在纤维阶段完成，不仅保持了最终织物的透气性、柔韧性与机械强度，还实现了可规模化生产的潜力，为下一代可持续高性能拒水面料提供了全新方案。对此，搜狐科技对话了董智超研究员。

从弹尾虫到下一代可持续高性能拒水面料

董智超称这款面料的研发灵感，来自自然界中的弹尾虫，因为它的表皮天生就具有非常强悍的机械稳定性和防水能力。

“我们知道，传统的超疏水面料，要么依赖含氟物质（比如PFOA、PFAS这类全氟或多氟烷基物质），要么靠表面附着纳米颗粒，但存在着环保隐患和耐磨性差的问题，所以我们开发了一种全新的技术，叫‘分子组装耐用超疏水壳’（MARS），很好地解决了这个问题。”

传统的喷洒或浸渍工艺，就像是在布料表面刷了一层含有纳米颗粒或含氟丙烯酸基的涂料，这种涂层仅仅附着在表面，受到摩擦容易脱落。而MARS技术的本质区别在于：它是在纤维表面直接构建了有序的、无氟的二氧化硅壳层。

之所以叫分子组装，是因为这层壳不是简单物理堆叠的，而是通过一步法原位反应，在单根纱线纤维表面化学生长出来并紧密排列的。

这项技术的核心在于“共价键合”，二氧化硅壳层与纤维表面发生了化学反应，形成了坚固的化学键，所以它就像牢牢“长”在纤维上一样。

“在不使用含氟物质的情况下，我们在硅壳上接枝了无氟的长链烷基，把表面能降得很低。再结合壳层本身独特的微观结构，最终实现了极低的表面能和持久的超疏水效果。”董智超如是说。

正因为这些特点，这项研究被称作“下一代可持续高性能拒水面料”。像Gore-Tex这类现有的高性能拒水面料（膨体聚四氟乙烯膜），薄膜技术确实很优秀，但在水洗耐久性、绝对透气性和柔软度上还有短板。

而MARS-Fabir的处理是在纤维阶段完成的，可以直接应用在各种天然或合成纤维上，既保留了织物原有的透气性、柔韧性和机械强度，又填补了日常服饰、高频洗涤装备中既要极致柔软透气、又要持久防水无氟的应用空白。

在董智超看来，现在全球对PFAS的限制越来越严，对防水面料行业来说，既是巨大的挑战，更是推动产业底层升级的机遇。

“PFAS法令马上就要落地了。我们希望摆脱对离散纳米颗粒和含氟化学物质的依赖，用最简单的方法重现这种天然的稳健结构，从而真正解决耐久与环保无法兼顾的行业痛点。”

柔软、易于折叠收纳，可以扔洗衣机常规机洗

谈到这，大家最好奇的问题肯定是：用MARS技术做的冲锋衣，手感和使用体验跟传统冲锋衣有什么不同？

对此，董智超解释道：“传统冲锋衣偏硬且怕洗，很大程度是因为表面的涂层或薄膜限制了它的物理特性，而经MARS处理的面料，因为去除了粘合剂且不堵塞孔隙，彻底保持了纤维和织物原本的柔韧性与透气性。”

“所以在手感和体验上，它就像普通棉质衣物一样柔软、易于折叠收纳，并且可以放心地把它扔进洗衣机常规机洗，不用担心防水层轻易剥落。”

这对户外爱好者来说，无疑是个好消息。

董智超团队还对MARS处理后的面料进行了“极限挑战”，测试标准远高于行业要求。比如，水滴以高达11.6米/秒的极高速度撞击，面料依然保持稳定的防水性；在2.4米/秒的连续水滴撞击8万次后，超疏水性能依旧不减。经过20次标准洗涤后，防水等级仍能保持在4.5级。

而且由于壳层是通过共价键合的，它在机械磨损和复杂的酸碱环境下，展现出了远超传统涂层的坚固与稳定。

不过，MARS技术在纤维表面构建了壳层，会不会堵塞纤维之间的孔隙？处理后的织物，怎么实现“泼水不进”又“透气不闷”？

“这是一个非常关键的工程细节。MARS构建的共价键合壳层是纳米级且精准包裹在单根纱线纤维表面的，相较于微米尺寸的织物纤维间孔隙，MARS的厚度是远远堵塞不了的。泼水不进是因为单根纤维表面具有极强的超疏水也就是拒水性；而透气不闷则是保留了原本纱线之间的物理孔道，让汗气和水蒸气可以自由穿透。”董智超如是说。

不仅如此，董智超称这种技术相较于传统需要多道工序，甚至需要特殊含氟废水处理环节的复杂工艺，在流程上实现了大幅度简化，这也就意味着它具备极强的可规模化生产潜力。

在现有的纺织工业产线上，它可以通过类似于常规浸轧的工艺接入，不需要进行颠覆性或高昂的设备改造，就能在纤维阶段完成处理，有效降低了综合制造成本。

不过，在研究过程中，董智超也遇到了很多困难，用他的话来说，最大的问题只有一个字：“新”。

“因为之前没有人做过单纤维的超疏水处理，所以我们设计了很多实验方法，甚至自己开发了新的仪器测试手段，就为了能看清一根比头发丝还细的纤维到底有没有达到超疏水效果。”

更难的是，他们还要让二氧化硅老老实实地在每根纤维表面长出一层均匀的“壳”，而不是在溶液里自己乱聚成无用的离散纳米颗粒。

在试了无数次配方、调了无数遍反应条件之后，终于找到了那个刚刚好的平衡点。这样一来，分子组装就能稳稳当当地进行，最终做出不含氟、原位生长且共价键合的坚固壳层。

借助AI，实现向应用端的高效“跨越”

那么，除了冲锋衣、帐篷等传统户外装备，这项技术还有哪些潜在的应用场景呢？

对此，董智超表示：“由于MARS能赋予天然与合成纤维持久的超疏水性能，同时不损失透气和柔韧性，应用广度非常大。”

像抗血液和体液飞溅的医用防护服、耐脏污的自清洁家居内饰，以及需要在恶劣环境下保持轻量化防水透气的特种军服等等。不仅如此，在柔性可穿戴设备、航空航天防结冰等高精尖领域也同样拥有巨大的应用潜力。

虽然MARS技术已经充分证明了可规模化生产的潜力，但也面临着许多挑战。如何在大规模、连续化的生产线中，保证这种微观壳层在宽幅织物上的均匀性和一致性，是最主要的挑战。

“幸运的是，我们实验室长期从事交叉学科研究，具备一定的工程化自研设备的能力，目前也正在通过数字化模拟辅助我们优化和解决这一工程放大难题。”董智超如是说。

谈及未来五到十年，仿生超浸润界面领域下一个要攻克的“珠穆朗玛峰”是什么时，董智超很坦诚地说，其实不只是这个领域，很多新技术面临的下一座高峰都一样——就是如何像大自然那样，用超低的能耗去构造物质，同时加快从概念到产品的转化。

这个“珠穆朗玛峰”其实已经不再局限于某一种具体的材料性能指标，而是研发与产业转化路径的根本性变革。

过去，一个新材料从实验室里好的概念、好的样品，走向工厂大规模量产，中间隔着一条漫长又充满试错的“死亡之谷”：工程放大、成本控制、良品率……每一步都可能卡住。

而且科学发现往往来自闲聊或者突然的灵感爆发，但技术应用不一样。在研发和放大的初期，就得把环保法规，比如前面提到的去氟化政策、产业政策、生产安全、材料本身的理化特性，还有最终的商业成本，所有这些复杂维度提前考虑进来。

董智超认为，从目前来看，AI的来临将是一场深刻的思想解放和生产力解放。人类的好奇心和大脑能提供新的idea，而AI恰好擅长对这些idea进行推演和验证。

我们的终极目标，是让基础科学里诞生的新概念、新成果，能够借由AI的赋能，跳过传统材料学中极其艰难、耗时的中间工程化试错过程，直接实现向实际应用端的高效跨越。

“谁能率先打通这条从实验室直达大规模生产的智能化快车道，谁就真正登上了下一代新材料领域的‘珠穆朗玛峰’。”董智超如是说。