超浸潤材料由于其獨特的潤濕性能而備受關注，控制外觀化學組成和多尺度微納米結構，是構建超浸潤界面材料的關鍵。

有鑒于此，江雷院士等人對仿生超浸潤體系進行了詳細而又深入的綜述，重要包括超浸潤系統的發展歷史、設計原則、系統建立、化學與制造、新興應用等五個方面。

一、歷史脈絡與系統發展

說起超浸潤，應該有幾百年的歷史了。而近幾十年對天然界特別潤濕征象的機理研究，使得這一古老的話題重新燃起人們的愛好。

圖1. 超浸潤系統的歷史發展脈絡

1805年，ThomasYoung首次提出接觸角的概念，來定義外觀潤濕性。水接觸角接近0o的外觀可稱之為超親水外觀，接觸角大于150o的外觀可稱之為超疏水外觀。

1907年，Ollivier首次報道了一種超疏水外觀：油煙、石松粉和三氧化二砷材料外觀實現接近180o的接觸角。

1920年，Langmuir（1932年諾貝爾獎得主）報道了一種單層吸附的有機化合物，可以完全改變固體外觀的摩擦和潤濕性能。

這些研究，促使研究人員通過化學修飾來控制外觀潤濕性。

圖2. Wenzel理論和Cassie-Baxter模型

1936年，Wenzel提出了一種理論模型，闡述固體外觀宏觀粗糙度和接觸角之間的關系，詮釋了外觀粗糙度可以怎樣加強疏水性。

1944年，Cassie和Baxter將Wenzel模型進行優化，延長到能捕捉固體和液體之間空氣的多孔外觀和粗糙外觀，。

1966年，T.Onda等人通過自下而上的方法在烷基烯酮二聚體膜外觀構建微米級粗糙度，首次得到接觸角接近180o的人工超疏水外觀。

圖3. 水滴接觸角

Onda,T., Shibuichi, S., Satoh, N. & Tsujii, K. Super-water-repellent fractal surfaces. Langmuir 12, 2125–2127 (1996).

2001年，江雷等人報道了一種具有納米尺寸粗糙度的超雙疏碳納米管薄膜。

圖4. 水滴和油滴接觸角

Li,H. et al. Super-“amphiphobic” aligned carbon nanotube films. Angew. Chem. Int.Ed. 113, 1793–1796 (2001

因為對機理熟悉不足，超疏水外觀的發展至此有所障礙。直到接下來對天然界疏水征象的機理進行深入理解，才使得超疏水外觀得以敏捷的發展，超浸潤系統才得以很好的完美。

荷葉效應是天然界最具特色的超疏水系統。據說，最早是在宋朝，中國古代文學家周敦頤的文章《愛蓮說》首次描述了經典的荷葉效應：出淤泥而不染，濯清漣而不妖。

圖5. 荷葉疏水效應

2002年，江雷等人首次論述了外觀微納米多尺度結構是荷葉效應的關鍵，是荷葉同時具有高外觀接觸角和第粘附性的緊張緣故原由。

這使得研究人員對之前的“粗糙度”有了更深刻的理解，也激發了一大批材料學家學習天然，構建各種超疏水外觀的愛好。大量的無機材料、聚合物、金屬材料都被用于仿生構建超疏水外觀。

超親水，是指水可以在外觀敏捷散開并形成完全潤濕外觀的薄膜的舉動，這是和超疏水相對應的另一種極限潤濕狀況。20世紀90年代曩昔，該領域照舊冷門，并沒有多少人感愛好。

人的眼角膜就是典型的生物超親水外觀，可以使眼淚敏捷散開以避免光散射。

1959年，Koontz等人在硅片前處理過程中實現超親水。

1997年，Wang,R等人行使TiO2的光催化性能在外觀產生很多-OH，從而實現了超雙親TiO2外觀。

圖6. 超雙親TiO2外觀

Wang,R. et al. Light-induced amphiphilic surfaces. Nature 1997, 388, 431–432.

對天然界中諸多植物和動物本征潤濕征象的發現，加速人工超浸潤系統的發展。極限潤濕狀況的種類賡續增長，合計64種，包括：空氣中的超親油、超疏油、超雙親、超雙疏；水中的超親油、超疏油、超疏氣、超親氣；油中的超疏水、超親水、超疏氣、超親氣。通過微納米結構的刺激相應材料，這些潤濕狀況可以實現智能轉換、

圖7. 超浸潤系統中的64種潤濕狀況

二、超浸潤系統的設計原則

通過學習天然來詮釋生物系統超浸潤的機理，是設計和構建超浸潤材料最有用的策略。一樣平常來說，重要有以下三種仿生設計原則：

1）微納米多級結構決定材料是否具有超浸潤特征；

2）微納米結構的排列和取向決定潤濕狀況和液體活動；

3）液體的本征潤濕閾值決定液體在粗糙外觀的超浸潤性能。

圖8. 超浸潤系統的設計原則

三、超浸潤系統

       超潤濕材料的設計原則可以擴展到不同維度的界面材料，譬如0D顆粒，1D纖維和通道等。2D效果外觀，3D多孔材料以及膜等多尺度功能材料，都可以通過集成不同維度的超潤濕材料制備得到。

圖9. 超浸潤系統多維度材料構建

四、超浸潤化學和制造

多種化學反應和微制造過程都發生在氣固液或液液固三相界面，反應液體在固體外觀的潤濕過程對產品質量具有緊張影響。因為三相接觸模型的特別性，超浸潤外觀的化學反應和微制造過程可能會體現出意想不到的舉動。

圖10. 超浸潤化學和制造

五、超浸潤系統的應用

超浸潤材料因為其獨特的潤濕性能，以及潤濕性能的二元協同或者組合，在自清潔、防腐蝕等日常生活中具有緊張應用，并對社會產生龐大影響。

除此之外，賡續發展的超浸潤系統也漸漸拓荒了大量新的領域，包括：防覆冰、防霧、熱傳遞、細胞捕捉、防生物污垢、油/水星散、綠色打印傳感以及能源轉化。

表1. 超浸潤系統的新興應用

雖然，我們對超浸潤系統取得了徐的緊張的熟悉，并構建了一大批材料，實現了一大批應用。但是，仍然存在以下題目亟待解決：

1. 在基礎研究上，還必要進一步從分子和原子尺度理解復雜的外觀潤濕征象，探索新的理論和概念。進一步完美超浸潤系統中的64種本征和組合潤濕征象。

2. 在現實應用領域，還必要解決一大批目標導向的工業應用，產生龐大價值。

圖11. 現實應用系統中，超疏水外觀經過機械磨損前后的超疏水性轉變

XuelinTian, Tuukka Verho, Robin H. A. RasMoving superhydrophobic surfaces towardreal-world applications. Science 2016, 352, 142-143.

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