表面具有微结构的固体材料可作为一种滑移表面功能材料应用于水下，具有防粘附、减阻、调控空化产生等诸多优良性质，在流动减阻等领域具有良好的应用前景。这些优良的性质有赖于封存在微结构孔隙中的气层。然而，在静水压强、溶解扩散、流动剪切等因素的影响下，气层会逐渐失稳甚至消失，使得这些功能表面失去原有的优良性能。因此，保持微结构孔隙中的气层在水下的长时间、稳定存在，是该功能表面在水下应用面临的最大挑战之一。本研究利用共聚焦显微成像技术，原位观测了具有规则微结构的固体表面在水下的各种浸润状态，清晰地观察到亚稳态的存在。同时，定量研究了浸润转变过程，分析了水压作用以及微结构内气体溶于水中对浸润转变的影响，并从理论上对此过程进行了预测，理论预测与实验结果一致。在此基础上，提出了一个关于亚稳态寿命的标度律，得到了浸润转变的时间特征尺度[1]。在此基础之上，通过考虑水中溶解气体饱和度与气穴内的溶解扩散平衡，实现了超疏水状态在水下保持长时间的稳定。通过建立广义的热力学理论框架，绘制了不同条件下气层能否保持长时间稳定状态的相图。通过共聚焦显微镜，原位观测了人造仿生功能表面和新鲜荷叶表面在不同实验条件下的气层演化过程，发现通过调控水中溶解气体饱和度，可以实现超疏水状态长时间的稳定，并给出不同环境压强下，气层可保持稳定状态的水中溶解气体饱和度界限，该结果与理论预测高度一致。通过对荷叶的研究，证实了气层的长时间稳态可以在任意粗糙的表面上实现[2]。本研究揭示了水下微结构内气层稳定存在的机理，对设计开发具有滑移特性的微结构功能表面，及其在水下，尤其是大水深、高压强下的应用具有非常重要的指导意义。