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超疏水|从自然到仿生：超疏水材料的前世今生( 二 )


最近也有研究者通过槐叶苹叶子和猪笼草得到启发 ， 设计并成功制备了新型仿槐叶萍表面 ， 同时兼具疏水性和润滑性 。 （详情见推送二条《超疏水表面 | 槐叶苹+猪笼草的启示：带“润滑头”的微凸起》）
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 (图2 (e)) 。 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 。 当蚊子暴露于雾气环境中时 ， 可以发现在蚊子眼睛表面并不能形成极小的液滴 ， 而在蚊子眼睛周围的绒毛上雾气凝结了大量液滴 。 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 。
水黾可以在水面上轻松行走甚至跳跃 。 其秘密就是其多毛腿部的强大超疏水性 。 水黾在水面站立时 ， 其腿部与水面形成了大约4 mm深度的涡旋而不是刺入水面下方 ， 每一条腿所具有的强健持久的超疏水作用力可以支撑其大约15 倍的体重 。 同时, 水黾腿部的特殊微观结构也被发现 ， 大量有序的条状微米结构覆盖了水黾的腿部 ， 这些微米结构以约20°的角度定向排列 ， 而每个微米条状结构又由呈螺旋状的纳米沟槽组成 (图2 (f)) 。 这种独特的分层微纳米多尺度结构可以在水黾腿与水面之间有效地捕捉气体而形成有力的气膜 。 水黾腿的强健超疏水能力为设计全新的水栖设备带来了灵感 。
超疏水|从自然到仿生：超疏水材料的前世今生
自然的启示：从自清洁表面的“荷叶效应”到超疏水表面的构建
人法地 ， 地法天 ， 天法道 ， 道法自然 。 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 。
【超疏水|从自然到仿生：超疏水材料的前世今生】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 。 其中以含氟材料最为优秀 ， 其表面能比硅氧烷低10 mN/m左右 ， 而且氟是所有元素中除氢元素之外原子半径最小的元素 。 其电负性强 ， 氟碳键键能大 ， 内聚能低 ， 热稳定性和化学稳定性高 。 具有耐热、耐候、耐化学介质性优良、折射率低等特性 。 当材料表面——CF3基团以六边形紧密有序排列堆积时 ， 固体表面具有最低的表面张力6.7 mJ/m^2 ， 因此 ， 目前制备具有低表面能的材料大都是以含氟材料为主 。 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 。
超疏水材料面临的机遇与挑战：耐久性与透明度
虽然超疏水材料在实际生活中有着广泛的应用前景 ， 但目前真正实现超疏水在实际中的广泛应用还有很多困难 ， 其中最大的挑战是耐久性与透明度 。 疏水涂层与基体的粘附力比较差 ， 粗糙结构也非常脆弱 ， 当表面经过冲击、摩擦等机械作用很容易受到损坏而失去超疏水性能 。 因此开发具有稳定抗摩擦的超疏水涂层或者具有自修复功能的超疏水表面成为当前超疏水材料研究领域中急需解决的问题 。 一般来说要得到超疏水 ， 其表面会有一定粗糙度 ， 而粗糙度越大 ， 折射率越大 ， 透明度越低 。 这极大的限制了超疏水材料在光学器件上的应用 。
让人欣喜的是 ， 2014年墨尔本的服装技术公司Threadsmiths ， 发明了一种仿荷叶超疏水的T恤 。 这种T恤可以经过80次以上的洗涤并且保持超疏水的性质 。 他们利用纳米技术对棉纤维进行重新编织使其具有防水性能 。 不像那些喷了疏水喷雾的衣物 ， 经过几次洗涤后就失去了防水性能 。 这种T恤可能会对服装业产生革命性的影响 。
超疏水|从自然到仿生：超疏水材料的前世今生
图3 Threadsmiths公司研发的超疏水T恤
同样令人兴奋的是 ， 近日美国能源部橡树岭国家实验室宣布 ， 韩国三星电子已经获得其历时三年研发的超疏水透明薄膜技术 。 该技术可被用于智能手机、平板电脑或其他设备的显示屏上 ， 能极大的改善屏幕反光、防尘、防水以及留下污迹或指纹的表现 。 美国能源部橡树岭国家实验室表示 ， 该项薄膜技术的研发共耗时三年 ， 能够有效保护光滑表面对灰尘和液体的黏附 。 其实这样的薄膜并不只限于使用在个人设备上 ， 太阳能面板或高层窗户玻璃等也都是该技术可考虑应用的对象 。
结 语
从自然到仿生 ， 超疏水材料从荷叶起步 ， 一直发展到今天 ， 一路上科学家从未停止过对自然的探索 。 我相信 ， 随着我们对自然探索的深入 ， 我们对自然的理解不断加深 ， 超疏水领域一定会取得更大的进展 。


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