材料科普：超疏水材料的前世今生

来源：今日新材料

超疏水材料是一种对水具有排斥性的材料，水滴在其表面无法滑动铺展而保持球型滚动状。科学家将静态水接触角大于150°，滚动角小于10º的表面称为超疏水表面。超疏水表面因其具备自清洁、油水分离、抗腐蚀、防结冰以及防雾等优秀特性，吸引了大批科学家投入到超疏水材料的研究中去。

很早以前，人们就发现荷叶上的灰尘和污垢会很容易被露珠和雨水带走，从而保持表面的清洁。科学家将这样的子清洁现象称之为“荷叶效应”。1977年，德国伯恩大学的Barthlott和Neinhuis通过扫描电镜研究了荷叶的表面结构形态。他们认为认为产生的“荷叶效应”是由蜡状物质这种低表面能的材料以及乳突这种具有微米粗糙结构共同引起的。研究表明，荷叶表面分布着大量微米级的蜡质微乳突结构；每一个乳突上又分布着大量纳米级的细枝状结构；而且荷叶的表皮上存在许多的蜡质三维细管，致使水滴与荷叶表面具有很低的接触面积。水滴在荷叶表面几乎呈现球形，表现出很好的自清洁效应。

除了荷叶，自然界中还有很多植物和动物具有超疏水现象。水稻叶片上的水滴就比荷叶表面上的水滴有个性的多。不同于荷叶表面上的水滴可以向任意方向滚动，水稻叶片上的水滴很容易沿着叶片生长的方向滚动，而在垂直的方向则较难滚动。这是因为水稻叶片具有线形定向排列的突起阵列以及一维的沟槽结构。与荷叶表面可以轻松滚动的小水滴不同，玫瑰花瓣上的小水珠却往往牢牢地粘附在其表面。通过对玫瑰花瓣的微观探索，科学家发现玫瑰花瓣表面由微米尺度的乳突组成，而在乳突的尖端则是许多纳米尺度的折叠结构，而这种纳米折叠结构正是导致玫瑰花瓣高黏附特性的关键因素。气体可以存在于纳米折叠结构之中，而水则可以轻松刺入微米乳突之间。

蚊子复合眼睛排列有紧密的六边形小眼，而在每个小眼上都排列有紧密的六边形突。这种独特的复合结构使得蚊子的复眼拥有了极强的疏水性。这种极强的疏水性可以阻止雾滴在蚊子眼睛的表面附着和凝聚，从而给蚊子带来清晰的视野。这个发现为开发干性防雾表面材料提供了极具启发性的研究思路。

通过对自然界中具有超疏水性的植物叶子的研究学习，可以知道制备超疏水表面需要具备两个条件：一是材料表面具有很低的表面能；二是固体材料表面构建一定粗糙度的具有微米和纳米的双重结构。

从固体表面的静态接触角来看，决定固体表面亲疏液性的关键在于材料表面的化学组成，而表面的粗糙程度只是增强了这一效果。所以在构建超疏水固体表面时，一般是在低表面能表面上构建粗糙表面或者在粗糙表面上修饰低表面能的物质。而人们首先从制备低表面能的物质开始研究，发现目前表面能最低的固体材料为硅氧烷和含氟材料。除此之外，人们也开始尝试采用不同的方法控制表面结构来制备超疏水涂层。目前，常用的有层层自组装法、物理或者化学气相沉积法、刻蚀法、模板法、静电喷涂法以及溶胶凝胶法等。

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