2017年4月，在美空軍研究實驗室支持下，密歇根大學開發出由“氟化聚氨酯彈性體”和“F-POSS”疏水分子互溶形成的自愈型超疏水涂層材料。該材料擁有百倍于同類涂料的耐久性，可為艦船、飛機和戰車提供兼具耐久性的防水、防結冰、自清潔能力。

在表面科學、仿生學以及多領域學科的交叉融合推動下，新型超疏水材料層出不窮，其優秀的潤濕特性和廣泛的應用前景，引起了各國的廣泛關注。

超疏水材料的技術原理

超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態。

超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應”。20 世紀90 年代，德國植物學家波恩大學Barthlott等揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落。

因為水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。

常見超疏水表面制備技術及現狀

構造超疏水表面有兩種方法，一是在疏水材料表面上構建微觀粗糙結構，二是用低表面能物質對微觀粗糙表面進行改性。

由于超疏水材料表面的微納結構是決定其超疏水性的主要因素，而這種微觀粗糙結構通常存在強度低、機械強度差、耐磨性差等問題，容易被外力破壞，導致超疏水性的喪失。因此，提高超疏水材料的耐久性是決定材料品質的關鍵。

人工制備超疏水表面雖然時間不長，但發展特別迅速，有效的制備方法也越來越多，主要有模板法、靜電紡絲法、相分離與自組裝法、溶膠-凝膠法、刻蝕法、水熱法、化學沉積與電沉積法、納米二氧化硅法、腐蝕法等。目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面超疏水涂層表面、超疏水金屬表面及超疏水織物等方面。

超疏水材料產業化狀況

目前超疏水表面的工業化產品大多是超疏水涂層，如：德國的STO 公司應用荷葉效應原理開發了有機硅荷葉效應乳膠漆，表面接觸角高達142°，表現出了優異的自清潔能力。北京首創納米科技有限公司成功研發出了系列“納米防護液”，該產品是含有特殊納米結構物質的水性液體，涂覆在紡織品、玻璃和石材等基材表面，能自組裝成具有荷葉表面結構的涂層，賦予表面防水、防油和防污的自潔效果。上海滬正納米科技有限公司開發出了無色透明玻璃自清潔涂層，產品經刷涂或噴涂到各種金屬、玻璃、大理石、瓷磚、塑料、紡織品、木制品等表面，數秒鐘內就可形成堅固耐用的納米保護層，該涂層模仿荷葉超疏水的自潔功能，水在其上有如落在荷葉上迅速滑落，使涂層表面保持清潔。在超疏水織物方面，基于超疏水原理的納米自清潔技術已基本成熟。美國NANOTEX 公司運用納米技術開發的Nano-care 功能性面料是一種具有自清潔功能的面料，它與傳統的防護涂層織物相比，耐久性更加好，織物保持了柔軟的手感和良好的透氣性；瑞士Schoeller Textil AG 公司則推出了新一代的Nano-Sphere 涂層技術，該Nano-Sphere 涂層在織物表面形成一層極細的納米微粒結構，改變水或者其它污物（油、番茄醬、咖啡、紅酒、蜂蜜等）和織物表面的接觸面積，使水或者污物會從涂層表面滑落，從而達到防水防污的效果。若有殘留污物只需要少量水就可以沖洗干凈（可以低溫水洗），并且經過多次水洗之后，依然有效；另外，德國BASF 公司也成功將仿荷葉效應-Mincor® TX TT 技術運用到紡織品上，于2006 年成功開發出了超疏水自清潔聚酯雨篷，進一步擴大了超疏水自清潔紡織品的應用范圍。在超疏水薄膜和超疏水金屬表面方面，雖然許多制備方法已經具備了量產的可能，但尚未見有商業化的公開報道。

 國外超疏水材料在國防領域的應用

在防腐蝕方面，超疏水材料可以阻斷水分與金屬材質的接觸，從而緩解艦艇水線以上部分的氧化腐蝕。2010年，美國海軍在“麥克福爾”號驅逐艦上使用超疏水涂層材料保護艦船武器系統以及其他暴露在外的裝備，防止這些系統和裝備被鹽霧銹蝕侵害。

在防生物附著方面，超疏水材料可以有效防止海洋生物在艦船表面的附著，可以作為艦船防污涂料。傳統防污涂料依靠釋放砷、銅、鉛等金屬離子殺死附著生物，超疏水材料則具有環保特性，可以減少有色金屬的使用。

在防冰方面，超疏水涂層因具有能耗低、適用范圍廣、環境友好等優點而在航空、艦船、電力，通信、能源等領域的防結／覆冰雪方面顯示出潛在的工程應用前景。2016年6月，美國萊斯大學研制出可高效防冰的石墨烯復合超疏水材料，當溫度高于-14℃時，冰無法在材料表面凝結。利用石墨烯的導電特性，在更低溫度下該材料可以通過電加熱來防冰或除冰，只需施加12伏的電壓就可使材料在-51℃低溫下防結冰。 

在自清潔方面，超疏水材料表面特殊微納米結構使污染物在材料表面的附著力降低，同時，超疏水材料的防水特性可使表面的水滴滾落時帶走污染物，保持材料表面的清潔。

2016年9月，美國橡樹嶺國家實驗室開發出一種應用于玻璃材質，具有自清潔、抗光反射、防指紋及污漬特性的超疏水透明涂層，可廣泛應用于電子設備顯示屏、鏡頭、探測器等光電子設備的防護。

超疏水（超疏油）布料可應用于各類防水透氣型工作服和新型生化防護服。例如，在執行任務過程中，空軍飛行員、海軍士兵和特種兵等突然浸沒在冷水中會導致體溫下降，是造成人員傷亡的主要因素之一。防水透氣型服裝已作為美軍空軍飛行員、船員和執行海陸空行動等特種兵的專用服裝。該類服裝在溫度為20℃的冷水中，能提供高達24小時的保護作用，并且穿著輕便、舒適。防水透氣織物的應用，不僅解決了透氣和防水的矛盾，而且可以減輕雨衣的重量，從而有效減輕士兵的負荷量。

美空軍研究實驗室與國防部威脅降低局聯合開展了相關項目的研究，并于201 0年開發出基于超雙疏（超疏水和超疏油）布料的生化防護服。該服裝具有自清潔性能，且可以避免危險化學品滲入，保護士兵不受生化武器威脅。

超疏水涂層可以利用其疏水性提高散熱效率。2016年3月，羅斯科學院熱物理研究所開發出用于提高熱交換設備散熱效率的氟聚合物涂層制備技術。該技術涂層可促進液體蒸氣在設備表面加速冷凝，散熱效率要遠遠高于薄膜冷卻法。同時，冷凝液形成的過程帶走熱量，形成的液體又用于新的散熱循環。

（2）新型水上機器人。 水黽具有獨特的漂浮機制和高效的劃水方式，在水面環境中能夠低耗、低噪、高效、靈活地漂浮、劃行和跳躍。水黽腿表面的微觀多級結構具有超疏水性，可以支撐水黽在水面自由活動。近年來，越來越多的學者開始研究水黽獨特的漂浮機制和高效的劃水方式。

2015年8月，韓國首爾大學和美國哈佛大學共同研制出仿水黽機器人。該機器人與水黽大小一致，可在水面跳躍。在軍事領域，水黽機器人可以作為微型偵察機器人，利用在水面快速靈活的運動特性執行特殊任務。

（3）定向集水。合理利用材料的超疏水性以及超親水性，在指定區域賦予材料不同的潤濕特性，可以用于在沙漠等干旱環境下作戰時的飲用水收集，解決人員生存等問題。2016年6月，美國西北太平洋國家實驗室研制出可實現水分逆向流動的碳納米棒材料。這種材料可在低濕度空氣環境中，將水蒸氣轉變成液態水并吸附在表面；在高濕度空氣環境中，材料具有疏水性，且濕度越高，材料表面水滴蒸發越快。這種材料可以用在沙漠中取水；如果用在服裝中，可以在高濕度環境中保持干燥舒爽。

（4）油水分離。 在被油污染的水域獲取水源，需要使用快速、高效的油水分離裝置。近年來，材料表面的潤濕性成為解決這個困難的關鍵，一旦材料展現出對油和水不同的潤濕性，如超疏水-超親油性、超親水-超疏油性，則這種材料可用于實現油水分離。此外，油水分離器還可用于解決海洋石油泄漏等環境問題。

目前，超疏水材料技術正向智能化、可調控、多功能及高性能方向發展，在武器裝備防護、能源及其他創新領域展現出廣闊的應用前景。未來在多學科交叉融合發展的影響下，超疏水材料技術將與仿生技術、納米技術以及材料計算技術等緊密結合，逐步突破機械性能與耐用性能的應用瓶頸，在眾多領域發揮更大應用價值。

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參考資料：國防制造、納米防水網、從自然到仿生的超疏水納米界面材料、從自然到仿生的超疏水納米界面材料等