回南天，地板冒水、墻壁“冒汗”，讓人抓狂。在一些行業(yè)，水更是讓人如臨大敵：水會(huì)帶來(lái)細(xì)菌，帶來(lái)腐蝕，帶來(lái)污染。偏偏在我們四周水又無(wú)處不在，“搞破壞”防不勝防。有沒(méi)有辦法在不迎接水的時(shí)候把它擋在門(mén)外？超疏水材料擔(dān)起了重任。

　　在一場(chǎng)TED演講中，科學(xué)家將一盆水潑向一塊金屬板，水珠像鋼珠一樣滾落，金屬板仍然干爽；一只船槳浸入水缸，拿出來(lái)竟然未帶出一滴水珠，就像是從沒(méi)放進(jìn)去過(guò)一樣；一杯水倒在一塊經(jīng)過(guò)特別處理的玻璃板上，水緊緊靠在中間“不越雷池半步”，即使用手?jǐn)嚦鰜?lái)一兩滴也立即跑回去……

　　這些違反我們?nèi)庋?ldquo;常識(shí)”的征象，就是“超疏水材料”搗的鬼。這種通過(guò)改變材料的外觀自由能和外觀粗糙度獲得的新型材料，靈感來(lái)自于天然界中的荷葉。因?yàn)槠浞浪⒎栏g、抗菌的特別結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)際熱門(mén)的研究領(lǐng)域，可以在環(huán)保、工業(yè)、醫(yī)療等各種你想象不到的領(lǐng)域大展身手。

　　南方日?qǐng)?bào)記者 李秀婷 策劃統(tǒng)籌：陳楓 黃慧瑩

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　　微觀尺度下的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)

　　材料外觀的自由能決定了這個(gè)材料是親水照舊疏水，自由能越低，疏水性越強(qiáng)；外觀微觀的粗糙度則決定了親疏水的強(qiáng)度，外觀越粗糙，疏水性越強(qiáng)

　　一顆水珠滴在材料外觀，假如它敏捷鋪睜開(kāi)來(lái)，就是親水或超親水外觀；假如水珠形成球形，能夠滾來(lái)滾去，就是疏水乃至超疏水外觀。

　　天然界中的某些植物葉外觀具有超疏水性子和自清潔功能，最典型的便是荷葉外觀，形成了“荷葉自潔效應(yīng)”，“出淤泥而不染”。

　　超疏水的性子是怎樣形成的？弄清楚這個(gè)，天然界的超疏水征象就可能為人類(lèi)所行使了。

　　華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院一位研究超疏水材料的專(zhuān)家詮釋?zhuān)凑諢崃W(xué)的規(guī)律，外觀能高的物質(zhì)無(wú)法在外觀能低的物質(zhì)外觀鋪睜開(kāi)。水是外觀能比較高的物質(zhì)，因此外觀能比水低的物質(zhì)，如一些含硅、氟的物質(zhì)就會(huì)體現(xiàn)出疏水性，水在如許的外觀會(huì)盡量讓本身縮成一個(gè)球形。

　　低外觀能的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)是否疏水，但僅有疏水性子還不夠。20世紀(jì)三四十年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了外觀粗糙度微結(jié)構(gòu)與浸潤(rùn)性之間的關(guān)系。在微觀環(huán)境中，液體滴在固體外觀上，并不能完全填滿(mǎn)粗糙固體外觀上的凹面，在液滴與固體凹面之間還存在著空氣。

　　宏觀上看到的固體和液體的接觸界面，現(xiàn)實(shí)上是由氣液界面和固液界面共同組成的混合界面。微外觀越粗糙，鎖住的空氣就越多，與水的接觸就越少，固體就越疏水。

　　1997年，德國(guó)生物學(xué)家巴特洛特（Barthlott）等研究人員通過(guò)對(duì)近300蒔植物葉外觀進(jìn)行研究，認(rèn)為植物葉片的自清潔特征是由粗糙外觀上微米結(jié)構(gòu)的乳突以及外觀疏水的蠟質(zhì)材料共同作育的。

　　看起來(lái)平滑光潔的荷葉，在電子顯微鏡下卻是另外一番情景：外觀布滿(mǎn)了顆粒狀的乳突，看起來(lái)粗糙不平。這些乳突及乳突之間又被浩繁納米級(jí)的蠟質(zhì)晶體所覆蓋。防水的蠟和微米級(jí)的乳突使得荷葉外觀呈現(xiàn)超疏水的特征。

　　上述專(zhuān)家介紹，材料外觀的自由能決定了這個(gè)材料是親水照舊疏水，外觀自由能越低，疏水性越強(qiáng)；而外觀微觀的粗糙度則決定了親水和疏水的強(qiáng)度，外觀越粗糙，疏水性越強(qiáng)。因此，外觀疏水時(shí)，增大固體外觀的粗糙度就能增大外觀的疏水性。

　　2002年，我國(guó)聞名納米材料專(zhuān)家江雷的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在荷葉外觀微米結(jié)構(gòu)的乳突上，還存在納米結(jié)構(gòu)，乳突的平均直徑為5—9微米，每個(gè)乳突外觀分布著直徑在（124±3）納米的絨毛。乳突之間的外觀也存在著納米結(jié)構(gòu)。另外，在荷葉的下一層外觀同樣可以發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)，它可以有用地阻止荷葉的基層被潤(rùn)濕。

　　原來(lái)，僅僅是微米結(jié)構(gòu)，疏水性還不夠強(qiáng)，微納多層結(jié)構(gòu)才是天然界疏水征象的終極奧秘。

　　研究者通常以接觸角來(lái)表達(dá)液體對(duì)固體的浸潤(rùn)程度，也就是親疏水的程度。接觸角是氣液界面的切線穿過(guò)液體與固液界面之間的夾角。假如水珠在材料外觀是完善的球形，也就意味著這塊平板是完全疏水的材料，接觸角是180°；假如水完全平鋪在外觀，透露表現(xiàn)材料很親水，接觸角是0°。

　　接觸角越大，浸潤(rùn)程度就越低。按照定義，超疏水外觀一樣平常是指與水的接觸角大于150°的外觀。

　　實(shí)際中的平面每每不是水平的，更多的是斜面。水滴在傾斜外觀上可能滾動(dòng)或障礙，這也是親疏水性的一種體現(xiàn)，這種狀況必要用滾動(dòng)角進(jìn)行表述。滾動(dòng)角是指液滴在固體外觀開(kāi)始滾動(dòng)時(shí)的臨界外觀傾斜角度。假如液滴開(kāi)始滾動(dòng)的傾斜角越小，注解這個(gè)外觀的超疏水性越好。

　　上述專(zhuān)家介紹，水珠滾落，去污能力比滑落強(qiáng)，而傾斜的光滑外觀水珠多處于滑動(dòng)狀況，這就詮釋了超疏水外觀的自清潔特征。

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　　向天然學(xué)習(xí)制作超疏水材料

　　人們從大天然受到了多重啟發(fā)，制造出同樣具有超疏水性子的各種材料，對(duì)各向異性的研究則可控制液體在固體的哪個(gè)方向、什么程度上發(fā)生浸潤(rùn)

　　除了荷葉，還有許多生物的外觀具有超疏水結(jié)構(gòu)。上述專(zhuān)家介紹，蟬翼外觀由規(guī)則排列的納米柱狀結(jié)構(gòu)組成，直徑約為80納米，納米柱的間距約180納米。規(guī)則排列的納米突起構(gòu)建起了粗糙度，使蟬翼外觀穩(wěn)固吸附了一層空氣膜，誘導(dǎo)了超疏水的性子，從而確保了自清潔功能。

　　壁虎的腳趾頭也具有迷人的條理結(jié)構(gòu)。微觀觀察可以看到，其腳趾由成千上萬(wàn)像絲綢一樣的“鱗片”和每一片“絲綢”包含的幾百個(gè)像鏟子一樣的渺小結(jié)構(gòu)組成。如許的結(jié)構(gòu)使得壁虎腳掌非常粗糙，能在墻壁上隨意爬行。

　　江湖上人稱(chēng)“鐵腿水上漂”的水黽雖然自身重量很小，但它能浮于水面上重要照舊靠它腿部的超疏水結(jié)構(gòu)。江雷的團(tuán)隊(duì)對(duì)水黽腿進(jìn)行了深刻過(guò)細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)水黽腿外觀定向排列著微米級(jí)的針狀剛毛，并且剛毛上還有螺旋狀的納米級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)。剛毛可以吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊，從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行，卻不會(huì)將腿弄濕。

　　在水黽的啟發(fā)下，很多研究者設(shè)計(jì)了新型超級(jí)浮力材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系的潘欽敏博士等研究人員就以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作成數(shù)艘郵票大小的微型船，然后通過(guò)硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船外觀具備超疏水性。

　　這種材料同樣具有微納米結(jié)構(gòu)的外觀，可在船外外觀形成空氣墊，改變船與水的接觸狀況，使船體外觀在水中所受阻力更小。這種微型船在水面自由漂浮的同時(shí)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外觀滾動(dòng)時(shí)會(huì)體現(xiàn)出各向異性，可以簡(jiǎn)單詮釋為在不同方向上體現(xiàn)出的性子不同。江雷的課題組觀察到，水稻葉外觀水滴總是沿著平行葉脈方向滾動(dòng)。原來(lái)，水稻葉外觀具有類(lèi)似于荷葉外觀的微納米相結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)，但是，在水稻葉外觀，乳突沿平行于葉邊緣的方向排列得有條不紊，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(dòng)墜落。

　　2009年，江雷的團(tuán)隊(duì)在蝴蝶同黨外觀也發(fā)現(xiàn)了水滴滾動(dòng)的各向異性。蝴蝶同黨由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(gè)鱗片上又分布著排列劃一的納米條帶結(jié)構(gòu)，而每個(gè)納米條帶由傾斜的周期性片層堆積而成。這種特別微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水珠在蝴蝶同黨外觀滾動(dòng)時(shí)具有各向異性。

　　這些研究效果為制備出浸潤(rùn)性可控的固體外觀提供了緊張的信息。掌握了這些，人們不僅可以控制固體和液體是否發(fā)生浸潤(rùn)，還可以控制液體在固體的哪個(gè)方向、什么程度上發(fā)生浸潤(rùn)。

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　　讓超疏水材料走出實(shí)驗(yàn)室

　　超疏水材料的應(yīng)用面相稱(chēng)廣泛，涵蓋航天軍工、建筑、醫(yī)療等各個(gè)方面。然而，因?yàn)槭苣壳凹夹g(shù)及開(kāi)發(fā)成本等限定，現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)化及商品化的還不多

　　超疏水特征能應(yīng)用在哪些方面？不少研究者對(duì)此提出了暢想。

　　先想想跟我們生活痛癢相關(guān)的。有抗菌自清潔效應(yīng)的超疏水外觀應(yīng)用于生活用品，可以削減清洗的麻煩；冰箱、冷柜等制冷設(shè)備的內(nèi)膽外觀上，不再有凝聚水、結(jié)霜、結(jié)冰征象；在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等的防水、防雪和耐沾污等方面應(yīng)用，可大大降低建筑物的清潔及維護(hù)成本。

　　思路坦蕩一點(diǎn)。自然氣、石油管道內(nèi)壁外觀涂上超疏水分子膜，能夠防止管道腐蝕，進(jìn)步油氣的傳輸服從。將其涂在遠(yuǎn)洋輪船船底，可以防污、防腐。

　　超疏水材料在微流體控制應(yīng)用上也有出色的體現(xiàn)。研究者提出，控制微液滴的活動(dòng)和流動(dòng)并以此制造微液滴控制針頭，使得在實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)液體滴加計(jì)量正確控制，實(shí)驗(yàn)試劑的添加將更得心應(yīng)手。

　　還有專(zhuān)家認(rèn)為，假如將這類(lèi)技術(shù)運(yùn)用到諸如靜電噴涂領(lǐng)域，比如用超疏水材料制造噴漆噴膠等的噴頭，將會(huì)使噴涂的液滴更加均勻，霧化結(jié)果更好，可以運(yùn)用在對(duì)噴涂結(jié)果有特別要求的場(chǎng)合。

　　上述專(zhuān)家介紹，超疏水材料目前重要有幾種制備方法，包括模板法、等離子法、化學(xué)氣相沉積法、靜電紡絲法、溶膠-凝膠法等，基本上都是在低外觀能的材料上構(gòu)造粗糙外觀。
 

　　這些方法要么過(guò)于昂貴；要么設(shè)備要求高、條件苛刻、周期長(zhǎng)，只能在實(shí)驗(yàn)室少量制造；要么疏水外觀強(qiáng)度不耐磨損；要么疏水性持久性不強(qiáng)，易被油性物質(zhì)污染……目前，研究者一方面在費(fèi)盡心機(jī)制造出不同結(jié)構(gòu)具有不同特征的疏水材料，比如一些既疏水又疏油的超雙疏材料研究，一方面也在絞盡腦汁讓它們走進(jìn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

目前，華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院相干團(tuán)隊(duì)在制備超疏水性涂膜方面取得了優(yōu)秀的進(jìn)展。他們制備出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的粒子后，與有機(jī)硅復(fù)合做成涂料，噴涂這種涂料即可制備超疏水涂膜，成為為數(shù)不多的具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)方法之一。

　　針對(duì)超疏水涂料易磨損而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠的題目，上述團(tuán)隊(duì)也提出了新的思路：在物體外觀先涂一層膠水，再?lài)娡渴杷苛希缭S能使疏水涂料與物體外觀更好地黏合，疏水強(qiáng)度得到了保障。
 

　　最近一期的《科學(xué)》雜志上，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)系博士生陸遙也提出，在黏膠上噴涂超疏水涂料的方法可以有用改善超疏水涂料易磨損的弱點(diǎn)，“將超疏水領(lǐng)域的弱點(diǎn)交給更加成熟的黏膠技術(shù)去戰(zhàn)勝”。

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