在長(zhǎng)期的生命進(jìn)化和自然選擇進(jìn)程中，大自然賜予了某些動(dòng)植物特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的功能特性，使其能夠更好地適應(yīng)周?chē)鷱?fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境，從而維持自身的生存發(fā)展。研究生物體這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)而制備功能仿生材料已成為材料學(xué)、化學(xué)及生命科學(xué)等交叉學(xué)科研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。其中，“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的荷葉由于其自身特殊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)雨水落在其表面的時(shí)候，水滴和荷葉的接觸角度很大且滾動(dòng)角很小，所以雨滴會(huì)像“露珠”一樣迅速滾落，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“超疏水效應(yīng)”。除了荷葉以外，自然界中許多動(dòng)植物都呈現(xiàn)出了獨(dú)特的超疏水效應(yīng)（圖1），比如水稻葉的各向異潤(rùn)濕性能、蝴蝶翅膀的定向黏附性能、水黽腿部持久的超疏水性能、蚊子復(fù)眼的防霧及防反射性能、楊樹(shù)葉的超疏水和防反射性能等。近年來(lái)，仿生科學(xué)家們受荷葉啟發(fā)，利用“超疏水效應(yīng)”為突破點(diǎn)，制備出了仿生超疏水表面，在金屬腐蝕防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的競(jìng)爭(zhēng)力與應(yīng)用潛力。

圖1 自然界中具有超疏水性的典型生物材料及相應(yīng)的多尺度結(jié)構(gòu)

(a) 荷葉；(b) 水稻葉；(c) 蝴蝶翅膀；(d) 水黽腿；(e) 蚊子復(fù)眼；(f) 楊樹(shù)葉

當(dāng)液體與固體互相接觸時(shí)，如果液體在固體表面向外鋪展并可以滲透到固體內(nèi)部，使得原來(lái)的固-氣界面和液-氣界面被新的固-液界面所代替，那么這就是浸潤(rùn)現(xiàn)象。而固體材料的浸潤(rùn)性一般通過(guò)固體材料表面的液體接觸角來(lái)衡量。氣-液-固三相平衡狀態(tài)條件下，在氣-液-固三相交界處分別對(duì)液體和固體表面做切線，則兩切線間的夾角θ稱(chēng)為靜態(tài)接觸角，如圖2所示。接觸角一般服從Young’s方程：

             cosθ=(γ_sg-γ_sl)/γ_lg

氣-液-固三相平衡時(shí)，水滴接觸角大于150°且滾動(dòng)角小于10°的性質(zhì)稱(chēng)之為超疏水性。

圖2 液滴在理想光滑和實(shí)際粗糙表面上的潤(rùn)濕模型 

(a) Young’s模型；(b) Wenzel模型；(c) Cassie-Baxter模型

Barthlott和Neibuis兩位科學(xué)家最早利用掃描電鏡對(duì)荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)荷葉表面分布有大量微米尺度的乳突結(jié)構(gòu)。江雷團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在這些微米結(jié)構(gòu)表面又鋪滿(mǎn)了納米尺寸的蠟晶狀物質(zhì)，因此指出荷葉表面的超疏水性是由微納雙層結(jié)構(gòu)和蠟質(zhì)層共同作用的結(jié)果。由此可見(jiàn)，自然界的超疏水結(jié)構(gòu)基本都同時(shí)具有較高的粗糙度和較低的表面能。受此啟發(fā)，現(xiàn)階段仿生超疏水表面的制備方法主要包括表面微納分層結(jié)構(gòu)的預(yù)構(gòu)造及低表面能物質(zhì)的后修飾兩個(gè)關(guān)鍵步驟。受自然界中的超疏水表面的啟發(fā)，目前人們已經(jīng)研究出許多人工制備超疏水表面的方法，主要包括模板法、層層自組裝技術(shù)（LBL）、刻蝕法、陽(yáng)極氧化法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、靜電紡絲法以及電泳沉積法。除此之外，噴涂、相分離等方法也常被用于制備超疏水表面。

仿生超疏水表面自1996年首次在實(shí)驗(yàn)室被成功合成以來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注且研究熱度至今居高不下。經(jīng)過(guò)二十多年的探索與發(fā)展，超疏水表面的理論研究與制備工藝日臻成熟，并在自清潔、防覆冰以及油/水分離等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛能，同時(shí)也為金屬材料的防腐蝕研究工作開(kāi)辟了新的道路。水是引發(fā)金屬電化學(xué)腐蝕的其中一個(gè)重要因素，因此金屬表面超疏水化處理是強(qiáng)化其耐蝕性能的有效措施。根據(jù)Cassie-Baxter潤(rùn)濕性理論，超疏水表面的腐蝕防護(hù)機(jī)制可以歸結(jié)為“空氣墊效應(yīng)”，即超疏水表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)能夠捕獲大量的空氣（如圖3所示），這些絕緣的空氣層可以在金屬基體與腐蝕介質(zhì)之間形成阻隔屏障，從而減緩或抑制腐蝕性粒子的遷移。

圖3 超疏水表面的“空氣墊效應(yīng)”

在海洋腐蝕防護(hù)中，一方面，超疏水表面膜層中的空氣可有效抑制金屬基底與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，從而降低腐蝕速率，起到腐蝕防護(hù)的作用；另一方面，在海洋大氣環(huán)境中，超疏水表面以其特有的“自清潔”效應(yīng)，使附著在金屬表面的鹽粒潮解滑移。超疏水表面的“空氣墊”可以減小液相和固相的接觸面積，大幅提高水滴在表面的接觸角，導(dǎo)致水滴在表面極易滾落，水滴在表面滾落時(shí)會(huì)帶走表面的污染物或鹽粒，從而達(dá)到自清潔、防腐蝕的效果，這就是所謂的“荷葉效應(yīng)”（如圖4所示）。

鋁合金在航空領(lǐng)域經(jīng)常被用作飛機(jī)蒙皮和壁板。在酸性或者堿性環(huán)境中，鋁合金表面的保護(hù)膜——氧化鋁會(huì)被溶解，從而使其發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)，在鋁及其合金表面制備超疏水表面可以彌補(bǔ)這一弊端。研究人員通過(guò)陽(yáng)極氧化方法，在鋁表面構(gòu)建出許多具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜，結(jié)果表明鋁合金表面具有超疏水特性的氧化鋁膜層能夠大幅提高鋁合金的耐腐蝕性能，同時(shí)還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和防冰性能。鈦合金常被用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，在惡劣的大氣環(huán)境下，往往會(huì)面臨嚴(yán)重的熱腐蝕威脅，通過(guò)在鈦合金基底構(gòu)造超疏水表面，可大大提高鈦合金在極端環(huán)境下的耐腐蝕性能。研究人員通過(guò)在鈦合金基底表面構(gòu)建超疏水CeO₂納米結(jié)構(gòu)，來(lái)提高提合計(jì)結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕性能。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)兩周的鹽霧實(shí)驗(yàn)后，鈦合金表面的顏色幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，表現(xiàn)出了良好的耐腐蝕效果。

圖4 超疏水表面的自清潔性能

腐蝕作為各行各業(yè)都不得不面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，每年都會(huì)給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。小到日常生產(chǎn)生活中的金屬銹蝕，大到國(guó)防軍艦的安全防護(hù)，都需要開(kāi)發(fā)更加環(huán)保、高效的防腐措施。近年來(lái)，仿生超疏水表面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于腐蝕防護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展意義非凡。理解并運(yùn)用超疏水表面的防腐機(jī)制，能夠推動(dòng)超疏水技術(shù)在腐蝕防護(hù)中的廣泛應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。