“滴水不進”的超疏水塗料出現” 103006″

    回南天，地板冒水、牆壁“冒汗”，讓人抓狂。在一些行業(ye) ，水更是讓人如臨(lin) 大敵：水會(hui) 帶來細菌，帶來腐蝕，帶來汙染。偏偏在我們(men) 周圍水又無處不在，“搞破壞”防不勝防。有沒有辦法在不歡迎水的時候把它擋在門外？超疏水材料擔起了重任。

    在一場TED演講中，科學家將一盆水潑向一塊金屬板，水珠像鋼珠一樣滾落，金屬板仍然幹爽；一隻船槳浸入水缸，拿出來竟然未帶出一滴水珠，就像是從(cong) 沒放進去過一樣；一杯水倒在一塊經過特殊處理的玻璃板上，水緊緊靠在中央“不越雷池半步”，即使用手攪出來一兩(liang) 滴也立即跑回去……

    這些違背我們(men) 肉眼“常識”的現象，就是“超疏水材料”搗的鬼。這種通過改變材料的表麵自由能和表麵粗糙度獲得的新型材料，靈感來自於(yu) 自然界中的荷葉。由於(yu) 其防水、防腐蝕、抗菌的特殊效果，如今已經成為(wei) 國際熱門的研究領域，可以在環保、工業(ye) 、醫療等各種你想象不到的領域大展身手。

    1.微觀尺度下的微納複合結構

    材料表麵的自由能決(jue) 定了這個(ge) 材料是親(qin) 水還是疏水，自由能越低，疏水性越強；表麵微觀的粗糙度則決(jue) 定了親(qin) 疏水的強度，表麵越粗糙，疏水性越強

    一顆水珠滴在材料表麵，如果它迅速鋪展開來，就是親(qin) 水或超親(qin) 水表麵；如果水珠形成球形，能夠滾來滾去，就是疏水乃至超疏水表麵。

    自然界中的某些植物葉表麵具有超疏水性質和自清潔功能，最典型的便是荷葉表麵，形成了“荷葉自潔效應”，“出淤泥而不染”。

    超疏水的性質是怎樣形成的？弄清楚這個(ge) ，自然界的超疏水現象就可能為(wei) 人類所利用了。

    華南理工大學化學與(yu) 化工學院一位研究超疏水材料的專(zhuan) 家解釋，按照熱力學的規律，表麵能高的物質無法在表麵能低的物質表麵鋪展開。水是表麵能比較高的物質，因此表麵能比水低的物質，如一些含矽、氟的物質就會(hui) 表現出疏水性，水在這樣的表麵會(hui) 盡量讓自己縮成一個(ge) 球形。

    低表麵能的化學組成結構決(jue) 定了物質是否疏水，但僅(jin) 有疏水性質還不夠。20世紀三四十年代，科學家就發現了表麵粗糙度微結構與(yu) 浸潤性之間的關(guan) 係。在微觀環境中，液體(ti) 滴在固體(ti) 表麵上，並不能完全填滿粗糙固體(ti) 表麵上的凹麵，在液滴與(yu) 固體(ti) 凹麵之間還存在著空氣。

    宏觀上看到的固體(ti) 和液體(ti) 的接觸界麵，實際上是由氣液界麵和固液界麵共同組成的混合界麵。微表麵越粗糙，鎖住的空氣就越多，與(yu) 水的接觸就越少，固體(ti) 就越疏水。

    1997年，德國生物學家巴特洛特（Barthlott）等研究人員通過對近300種植物葉表麵進行研究，認為(wei) 植物葉片的自清潔特性是由粗糙表麵上微米結構的乳突以及表麵疏水的蠟質材料共同造就的。

    看起來平滑光潔的荷葉，在電子顯微鏡下卻是另外一番情景：表麵布滿了顆粒狀的乳突，看起來粗糙不平。這些乳突及乳突之間又被眾(zhong) 多納米級的蠟質晶體(ti) 所覆蓋。防水的蠟和微米級的乳突使得荷葉表麵呈現超疏水的特性。

    上述專(zhuan) 家介紹，材料表麵的自由能決(jue) 定了這個(ge) 材料是親(qin) 水還是疏水，表麵自由能越低，疏水性越強；而表麵微觀的粗糙度則決(jue) 定了親(qin) 水和疏水的強度，表麵越粗糙，疏水性越強。因此，表麵疏水時，增大固體(ti) 表麵的粗糙度就能增大表麵的疏水性。

    2002年，我國著名納米材料專(zhuan) 家江雷的團隊發現，在荷葉表麵微米結構的乳突上，還存在納米結構，乳突的平均直徑為(wei) 5—9微米，每個(ge) 乳突表麵分布著直徑在（124±3）納米的絨毛。乳突之間的表麵也存在著納米結構。另外，在荷葉的下一層表麵同樣可以發現納米結構，它可以有效地阻止荷葉的下層被潤濕。

    原來，僅(jin) 僅(jin) 是微米結構，疏水性還不夠強，微納多層結構才是自然界疏水現象的終極奧秘。

    研究者通常以接觸角來表達液體(ti) 對固體(ti) 的浸潤程度，也就是親(qin) 疏水的程度。接觸角是氣液界麵的切線穿過液體(ti) 與(yu) 固液界麵之間的夾角。如果水珠在材料表麵是完美的球形，也就意味著這塊平板是完全疏水的材料，接觸角是180°；如果水完全平鋪在表麵，表示材料很親(qin) 水，接觸角是0°。

    接觸角越大，浸潤程度就越低。按照定義(yi) ，超疏水表麵一般是指與(yu) 水的接觸角大於(yu) 150°的表麵。

    現實中的平麵往往不是水平的，更多的是斜麵。水滴在傾(qing) 斜表麵上可能滾動或停滯，這也是親(qin) 疏水性的一種表現，這種狀態需要用滾動角進行表述。滾動角是指液滴在固體(ti) 表麵開始滾動時的臨(lin) 界表麵傾(qing) 斜角度。如果液滴開始滾動的傾(qing) 斜角越小，表明這個(ge) 表麵的超疏水性越好。

    上述專(zhuan) 家介紹，水珠滾落，去汙能力比滑落強，而傾(qing) 斜的光滑表麵水珠多處於(yu) 滑動狀態，這就解釋了超疏水表麵的自清潔特性。

    2.向自然學習(xi) 製作超疏水材料

    人們(men) 從(cong) 大自然受到了多重啟發，製造出同樣具有超疏水性質的各種材料，對各向異性的研究則可控製液體(ti) 在固體(ti) 的哪個(ge) 方向、什麽(me) 程度上發生浸潤

    除了荷葉，還有很多生物的表麵具有超疏水結構。上述專(zhuan) 家介紹，蟬翼表麵由規則排列的納米柱狀結構組成，直徑約為(wei) 80納米，納米柱的間距約180納米。規則排列的納米突起構建起了粗糙度，使蟬翼表麵穩定吸附了一層空氣膜，誘導了超疏水的性質，從(cong) 而確保了自清潔功能。

    壁虎的腳趾頭也具有迷人的層次結構。微觀觀察可以看到，其腳趾由成千上萬(wan) 像絲(si) 綢一樣的“鱗片”和每一片“絲(si) 綢”包含的幾百個(ge) 像鏟子一樣的細微結構組成。這樣的結構使得壁虎腳掌異常粗糙，能在牆壁上隨意爬行。

    江湖上人稱“鐵腿水上漂”的水黽雖然自身重量很小，但它能浮於(yu) 水麵上主要還是靠它腿部的超疏水結構。江雷的團隊對水黽腿進行了深刻細致的研究，發現水黽腿表麵定向排列著微米級的針狀剛毛，並且剛毛上還有螺旋狀的納米級溝槽結構。剛毛可以吸附在構槽中的氣泡形成氣墊，從(cong) 而讓水黽能夠在水麵上自由地穿梭滑行，卻不會(hui) 將腿弄濕。

    在水黽的啟發下，許多研究者設計了新型超級浮力材料。哈爾濱工業(ye) 大學應用化學係的潘欽敏博士等研究人員就以多孔狀銅網為(wei) 基材，並將其製作成數艘郵票大小的微型船，然後通過硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船表麵具備超疏水性。

    這種材料同樣具有微納米結構的表麵，可在船外表麵形成空氣墊，改變船與(yu) 水的接觸狀態，使船體(ti) 表麵在水中所受阻力更小。這種微型船在水麵自由漂浮的同時可以承載比自身最大排水量多50%的重量。

    水滴在某些植物的葉表麵滾動時會(hui) 表現出各向異性，可以簡單解釋為(wei) 在不同方向上表現出的性質不同。江雷的課題組觀察到，水稻葉表麵水滴總是沿著平行葉脈方向滾動。原來，水稻葉表麵具有類似於(yu) 荷葉表麵的微納米相結合的多級結構，但是，在水稻葉表麵，乳突沿平行於(yu) 葉邊緣的方向排列得井井有條，垂直方向上的排列則很“任性”，因此水珠更容易沿著平行葉脈方向滾動墜落。

    2009年，江雷的團隊在蝴蝶翅膀表麵也發現了水滴滾動的各向異性。蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(ge) 鱗片上又分布著排列整齊的納米條帶結構，而每個(ge) 納米條帶由傾(qing) 斜的周期性片層堆積而成。這種特殊微觀結構導致水珠在蝴蝶翅膀表麵滾動時具有各向異性。

    這些研究結果為(wei) 製備出浸潤性可控的固體(ti) 表麵提供了重要的信息。掌握了這些，人們(men) 不僅(jin) 可以控製固體(ti) 和液體(ti) 是否發生浸潤，還可以控製液體(ti) 在固體(ti) 的哪個(ge) 方向、什麽(me) 程度上發生浸潤。

    3.讓超疏水材料走出實驗室

    超疏水材料的應用麵相當廣泛，涵蓋航天軍(jun) 工、建築、醫療等各個(ge) 方麵。然而，由於(yu) 受目前技術及開發成本等限製，實際產(chan) 業(ye) 化及商品化的還不多

    超疏水特性能應用在哪些方麵？不少研究者對此提出了暢想。

    先想想跟我們(men) 生活息息相關(guan) 的。有抗菌自清潔效應的超疏水表麵應用於(yu) 生活用品，可以減少清洗的麻煩；冰箱、冷櫃等製冷設備的內(nei) 膽表麵上，不再有凝聚水、結霜、結冰現象；在建築物內(nei) 外牆、玻璃及金屬框架等的防水、防雪和耐沾汙等方麵應用，可大大降低建築物的清潔及維護成本。

    思路開闊一點。天然氣、石油管道內(nei) 壁表麵塗上超疏水分子膜，能夠防止管道腐蝕，提高油氣的傳(chuan) 輸效率。將其塗在遠洋輪船船底，可以防汙、防腐。

    超疏水材料在微流體(ti) 控製應用上也有出色的表現。研究者提出，控製微液滴的運動和流動並以此製造微液滴控製針頭，使得在實驗或生產(chan) 過程中對液體(ti) 滴加計量精確控製，實驗試劑的添加將更得心應手。

    還有專(zhuan) 家認為(wei) ，如果將這類技術運用到諸如靜電噴塗領域，比如用超疏水材料製造噴漆噴膠等的噴頭，將會(hui) 使噴塗的液滴更加均勻，霧化效果更好，可以運用在對噴塗效果有特殊要求的場合。

    上述專(zhuan) 家介紹，超疏水材料目前主要有幾種製備方法，包括模板法、等離子法、化學氣相沉積法、靜電紡絲(si) 法、溶膠-凝膠法等，基本上都是在低表麵能的材料上構造粗糙表麵。

    這些方法要麽(me) 過於(yu) 昂貴；要麽(me) 設備要求高、條件苛刻、周期長，隻能在實驗室少量製造；要麽(me) 疏水表麵強度不耐磨損；要麽(me) 疏水性持久性不強，易被油性物質汙染……目前，研究者一方麵在想方設法製造出不同結構具有不同特性的疏水材料，比如一些既疏水又疏油的超雙疏材料研究，一方麵也在絞盡腦汁讓它們(men) 走進實際應用。

    目前，華南理工大學化學與(yu) 化工學院相關(guan) 團隊在製備超疏水性塗膜方麵取得了良好的進展。他們(men) 製備出微納複合結構的粒子後，與(yu) 有機矽複合做成塗料，噴塗這種塗料即可製備超疏水塗膜，成為(wei) 為(wei) 數不多的具有實際應用價(jia) 值的技術方法之一。

    針對超疏水塗料易磨損而導致強度不夠的問題，上述團隊也提出了新的思路：在物體(ti) 表麵先塗一層膠水，再噴塗疏水塗料，這樣能使疏水塗料與(yu) 物體(ti) 表麵更好地黏合，疏水強度得到了保障。

    最近一期的《科學》雜誌上，英國倫(lun) 敦大學學院化學係博士生陸遙也提出，在黏膠上噴塗超疏水塗料的方法可以有效改善超疏水塗料易磨損的弱點，“將超疏水領域的弱點交給更加成熟的黏膠技術去克服”。

責任編輯：李德勝