““滴水不进”的超疏水涂料出现”

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摘要:回到南天，地板出水，墙壁“出汗”，很烦躁。 在一个领域，水更是大敌:水会带来细菌、腐蚀、污染。 不巧我们周围到处都是水，无法防止“破坏”。 有不欢迎水的时候停在门外的方法吗？ 超疏水材料承担了重任。

南天，地板出水，墙壁“出汗”很烦躁。 在一个领域，水更是大敌:水会带来细菌、腐蚀、污染。 不巧我们周围到处都是水，无法防止“破坏”。 有不欢迎水的时候停在门外的方法吗？ 超疏水材料承担了重任。

在ted演讲中，科学家将一盆水洒在金属板上，水珠像钢球一样滚落，金属板还干着的一艘桨浸在水槽里，仿佛它从未进去过，拿出来没有水珠。 向特殊解决的玻璃板里倒一杯水，把水牢牢地放在中央的“不越过雷池的半步”上，用手扒出一两滴也很快就会回来……

由于防水腐蚀等特殊效果备受关注，亟待实验室进行实际宣传和应用

这些违反肉眼“常识”的现象，就是沾上“超疏水材料”的鬼。 通过改变这种材料的表面自由能和表面粗糙度得到的新材料，灵感来自自然界的荷叶。 由于其防水、防腐、抗菌的特殊效果，现在已经成为国际热门的研究行业，可以活跃在环境保护、工业、医疗等你想象不到的各种行业。

1 .微尺度下的微纳复合结构

材料表面的自由能决定了该材料是亲水的还是疏水的，自由能越低，疏水性越强。 的微观粗糙度决定了亲疏水的强度，表面越粗糙疏水性越强

如果水滴落在材料表面，并迅速扩散，则为亲水性或超亲水性表面。 水珠如果呈球形，可以滚动，是疏水乃至超疏水表面。

自然界中一些植物的叶片表面具有超疏水性和自清洗功能，最典型的是荷叶表面，形成“荷叶自清洗效果”，“出泥不染”。

超疏水的性质是如何形成的？ 弄清这一点后，自然界的超疏水现象有可能被人类利用。

华南理工大学化学与化工学院研究超疏水材料的专家解释说，根据热力学定律，表面能高的物质不能展开在表面能低的物质表面。 水是一种表面能量比很高的物质。 因为这种表面能比水低的物质，例如硅和含氟物质，会显示疏水性，水在这样的表面会尽量把自己压缩成球形。

低表面能的化学组成结构决定了物质是否疏水，但光有疏水性的性质是不够的。 20世纪30年代到40年代，科学家们发现了表面粗糙度的微结构与浸润性之间的关系。 在微环境中，液滴位于固体表面上，不能完全填满粗糙的固体表面上的凹面，液滴和固体凹面之间存在空气体。

从宏观上看，固体与液体的接触界面实际上是气液界面和固液界面共同组成的混合界面。 微表面越粗糙，锁定的空气体越多，与水的接触越少，固体越疏水。

1997年，德国生物学家巴特·洛特等人研究了近300种植物的叶片表面，认为植物叶片自清洗的特点是由粗糙表面上微米结构的乳突和表面疏水化的蜡质材料共同制成的。

看起来像光滑的荷叶，但在电子显微镜下，表面布满了颗粒状的乳突，看起来很粗糙。 这些乳突和乳突之间又被许多纳米级的蜡质结晶覆盖。 防水蜡和微米级乳突具有使荷叶表面超疏水的特点。

上述专家指出，材料表面的自由能决定了该材料是亲水的还是疏水的，表面自由能越低，疏水性越强。 表面的微观粗糙度决定亲水和疏水的强度，表面越粗糙疏水性越强。 因为，在表面为疏水性的情况下，通过增大固体表面的粗糙度可以增大表面的疏水性。

2002年，我国著名纳米材料专家江雷的团队发现，荷叶表面微米结构的乳突上存在纳米结构，乳突平均直径为5-9微米，每个乳突表面分布着 直径为( 124±3 )纳米绒毛。 乳突之间的表面也存在着纳米结构。 另外，荷叶下一层的表面也可以看到纳米结构，可以比较有效地防止荷叶下层被淋湿。

原来，光靠微米结构，疏水性还不够，微纳米多层结构才是自然界疏水现象的终极奥秘。

研究人员用接触角来表现液体对固体的浸润程度，即亲疏水的程度。 接触角是气液界面的切线通过液体和固液界面之间的角度。 如果水滴在材料表面是完美的球形，也就意味着这块平板完全是疏水性材料，接触角为180°。 水完全平坦于表面时，表示材料为亲水，接触角为0°。

接触角越大，浸润程度越低。 根据定义，超疏水表面通常是指与水的接触角大于150°的表面。

现实平面大多不是水平的，斜面在增加。 水滴有在倾斜表面滚动或停滞的可能性也是亲疏水性的表现，这种状态需要用侧倾角来表现。 侧倾角是液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾斜的立场。 液滴开始滚动的倾斜角越小，说明这个表面的超疏水性越好。

上述专家表示，水珠滚落，去污能力强于滑落，但倾斜光滑表面的水珠多处于滑动状态，这解释了超疏水表面自我清洗的特点。

2 .从自然学习中制造超疏水材料

人们受到自然的很多启发，同样制造具有超疏水性质的各种材料，各向异性的研究可以控制液体浸润到固体的什么方向、什么程度。

除荷叶外，许多生物的表面具有超疏水结构。 据上述专家介绍，蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，直径约80纳米，纳米柱间距约180纳米。 有序排列的纳米突起形成粗糙度，在半翼表面稳定吸附1层空气膜，诱导了超疏水的性质，确保了自清洗功能。

壁虎的脚趾也有很有吸引力的分层结构。 从微观上看，脚趾由像丝绸一样的千万“鳞片”和每一片“丝绸”中含有的数百把铲子一样的微细结构构成。 这样的结构使壁虎的脚异常粗糙，可以在墙上自由爬行。

在江湖上被誉为“漂浮在铁腿水上”的水黾，虽然体重小，但能漂浮在水面上的主要是腿部的超疏水结构。 江雷的团队对阿米巴腿进行了深入的研究，发现 阿米巴腿表面呈微米级针状刚毛定向排列，同时刚毛有螺旋状纳米级槽结构。 刺由吸附在结构槽上的气泡形成气垫，使得水黾可以不弄湿脚自由地在水面上来回移动 。

在阿姆博的启发下，多位研究者设计了新的超浮力材料。 哈尔滨工业大学应用化学系的潘钦敏博士等人的研究人员以多孔铜网为基材，将其制成数艘邮票大小的微舟，通过硝酸银等溶液的浸渍解决，使船表面具有超疏水性。

该材料同样具有微纳结构的表面，在船外表面形成空的气垫，可以改变船与水的接触状态，使船体表面在水中受到的阻力更小。 这艘微型小船可以自由漂浮在水面上，载有比自身最大排水量多50%的重量。

水滴在某些植物叶子表面滚动时表现出各向异性，可以简单解释为在不同方向表现出的性质不同。 江雷课题组注意到，水稻叶片表面的水滴总是沿平行叶 脉方向滚动。 本来，水稻叶表面具有类似荷叶表面的微纳结合而成的多级结构，但在水稻叶表面，乳突沿与叶缘平行的方向排列在井中，垂直方向的 排列为“任性”，这水珠容易沿着叶脉滚落

2009年，江雷的团队在蝴蝶翅膀表面也发现了水滴滚动的各向异性。 蝴蝶的羽毛被微米大小的鳞片重叠复盖，每个鳞片上分布着整齐排列的纳米条纹结构，每个纳米条纹都堆积着倾斜的周期性薄片层。 由于这种特殊的微观结构，水珠在蝴蝶翅膀表面滚动时具有各向异性。

这些研究结果为制造浸润性可控的固体表面提供了重要的新闻。 通过掌握这一点，不仅可以控制固体和液体是否发生浸润，还可以控制液体浸润到固体的哪个方向、何种程度。

3 .将超疏水材料带出实验室

超疏水材料的应用面相当广泛，涵盖太空军工、建筑、医疗等全方位。 但是，由于现有技术和开发价格等的限制，实际的产业化和商品化很少

超疏水特性可以应用于它们吗？ 许多研究者对此考虑很大。

首先想想与我们的生活息息相关的事情。 将具有抗菌自我清洗效果的超疏水表面应用于生活用品，可以减少清洗的麻烦。 冰箱、冷冻库等冷冻设备的内胆表面没有凝聚水、结霜、冻结现象。 应用于建筑物的外墙、玻璃、金属框架等防水、防雪、防污等，可以大大降低建筑物的清洁和维护价格。

想法有点开阔。 在天然气、石油管道的内壁表面涂上超疏水分子膜，可以防止管道腐蚀，提高油气输送效率。 将其涂在远洋轮船的船底上，可以防污防腐。

超疏水材料在微流体控制方面也有很好的应用。 研究人员提出，控制微液滴的运动和流动，从而制造微液滴控制针，在实验和生产过程中准确控制液滴的滴下量，使实验试剂的添加更有信心。

另外，专家认为，如果将这种技术应用于静电涂装行业，例如用超疏水材料涂装喷雾等喷头，可以使涂装的液滴更均匀，雾化效果好，适用于对涂装效果有特别要求的情况。

上述专家指出，超疏水材料目前最先进的是模板法、等离子体法、化学气相沉积法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法等几种制备方法，基本上是在低表面能材料上构成粗糙表面。

这些做法要么太高，要么设备要求高，条件苛刻，周期长，要么只能在实验室制造少量的疏水表面强度不耐磨，要么疏水性持久性不强，要么容易被油性物质 污染……目前，研究者具有不同结构的疏水性特征

目前，华南理工大学化学与化工学院的相关团队在超疏水性涂膜的制备方面取得了良好的进展。 他们制备了微纳复合结构的粒子后，与有机硅复合制作涂料，通过喷涂该涂料可以制备超疏水涂膜，已成为有实用价值的技术途径之一。

针对超防水涂料容易磨损、强度不足的问题，上述团队提出了新的思路:在物体表面涂粘合剂后再涂防水涂料，可以更好地粘合防水涂料和物体表面，保障防水强度。

在最近的《科学》杂志上，英国伦敦大学学院化学系博士陆遥也提出，向粘合剂喷涂超疏水涂料可以比较有效地改善超疏水涂料易磨损的弱点，“将超疏水行业的弱点交给更成熟的粘合技术来克服”。