“滴水不进”的超疏水涂料出现

点击数：643 发布时间：2015年8月11日 来源：

回南天，地板冒水、墙壁“冒汗”，让人抓狂。在一些行业，水更是让人如临大敌：水会带来细菌，带来腐蚀，带来污染。偏偏在我们周围水又无处不在，“搞破坏”防不胜防。有没有办法在不欢迎水的时候把它挡在门外？超疏水材料担起了重任。
在一场TED演讲中，科学家将一盆水泼向一块金属板，水珠像钢珠一样滚落，金属板仍然干爽；一只船桨浸入水缸，拿出来竟然未带出一滴水珠，就像是从没放进去过一样；一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上，水紧紧靠在中央“不越雷池半步”，即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……
因防水防腐蚀等特殊效果广受关注 亟待从实验室走向实际推广和应用
这些违背我们肉眼“常识”的现象，就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料，灵感来自于自然界中的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果，如今已经成为国际热门的研究领域，可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。
1.微观尺度下的微纳复合结构
材料表面的自由能决定了这个材料是亲水还是疏水，自由能越低，疏水性越强；表面微观的粗糙度则决定了亲疏水的强度，表面越粗糙，疏水性越强一颗水珠滴在材料表面，如果它迅速铺展开来，就是亲水或超亲水表面；如果水珠形成球形，能够滚来滚去，就是疏水乃至超疏水表面。
自然界中的某些植物叶表面具有超疏水性质和自清洁功能，最典型的便是荷叶表面，形成了“荷叶自洁效应”，“出淤泥而不染”。
超疏水的性质是怎样形成的？弄清楚这个，自然界的超疏水现象就可能为人类所利用了。
华南理工大学化学与化工学院一位研究超疏水材料的专家解释，按照热力学的规律，表面能高的物质无法在表面能低的物质表面铺展开。水是表面能比较高的物质，因此表面能比水低的物质，如一些含硅、氟的物质就会表现出疏水性，水在这样的表面会尽量让自己缩成一个球形。
低表面能的化学组成结构决定了物质是否疏水，但仅有疏水性质还不够。20世纪三四十年代，科学家就发现了表面粗糙度微结构与浸润性之间的关系。在微观环境中，液体滴在固体表面上，并不能完全填满粗糙固体表面上的凹面，在液滴与固体凹面之间还存在着空气。
宏观上看到的固体和液体的接触界面，实际上是由气液界面和固液界面共同组成的混合界面。微表面越粗糙，锁住的空气就越多，与水的接触就越少，固体就越疏水。
1997年，德国生物学家巴特洛特（Barthlott）等研究人员通过对近300种植物叶表面进行研究，认为植物叶片的自清洁特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料共同造就的。
看起来平滑光洁的荷叶，在电子显微镜下却是另外一番情景：表面布满了颗粒状的乳突，看起来粗糙不平。这些乳突及乳突之间又被众多纳米级的蜡质晶体所覆盖。防水的蜡和微米级的乳突使得荷叶表面呈现超疏水的特性。
上述专家介绍，材料表面的自由能决定了这个材料是亲水还是疏水，表面自由能越低，疏水性越强；而表面微观的粗糙度则决定了亲水和疏水的强度，表面越粗糙，疏水性越强。因此，表面疏水时，增大固体表面的粗糙度就能增大表面的疏水性。
2002年，我国著名纳米材料专家江雷的团队发现，在荷叶表面微米结构的乳突上，还存在纳米结构，乳突的平均直径为5—9微米，每个乳突表面分布着直径在（124±3）纳米的绒毛。乳突之间的表面也存在着纳米结构。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。
原来，仅仅是微米结构，疏水性还不够强，微纳多层结构才是自然界疏水现象的终极奥秘。
研究者通常以接触角来表达液体对固体的浸润程度，也就是亲疏水的程度。接触角是气液界面的切线穿过液体与固液界面之间的夹角。如果水珠在材料表面是完美的球形，也就意味着这块平板是完全疏水的材料，接触角是180°；如果水完全平铺在表面，表示材料很亲水，接触角是0°。
接触角越大，浸润程度就越低。按照定义，超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°的表面。
现实中的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或停滞，这也是亲疏水性的一种表现，这种状态需要用滚动角进行表述。滚动角是指液滴在固体表面开始滚动时的临界表面倾斜角度。如果液滴开始滚动的倾斜角越小，表明这个表面的超疏水性越好。
上述专家介绍，水珠滚落，去污能力比滑落强，而倾斜的光滑表面水珠多处于滑动状态，这就解释了超疏水表面的自清洁特性。
2.向自然学习制作超疏水材料
人们从大自然受到了多重启发，制造出同样具有超疏水性质的各种材料，对各向异性的研究则可控制液体在固体的哪个方向、什么程度上发生浸润
除了荷叶，还有很多生物的表面具有超疏水结构。上述专家介绍，蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，直径约为80纳米，纳米柱的间距约180纳米。规则排列的纳米突起构建起了粗糙度，使蝉翼表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。
壁虎的脚趾头也具有迷人的层次结构。微观观察可以看到，其脚趾由成千上万像丝绸一样的“鳞片”和每一片“丝绸”包含的几百个像铲子一样的细微结构组成。这样的结构使得壁虎脚掌异常粗糙，能在墙壁上随意爬行。
江湖上人称“铁腿水上漂”的水黾虽然自身重量很小，但它能浮于水面上主要还是靠它腿部的超疏水结构。江雷的团队对水黾腿进行了深刻细致的研究，发现水黾腿表面定向排列着微米级的针状刚毛，并且刚毛上还有螺旋状的纳米级沟槽结构。刚毛可以吸附在构槽中的气泡形成气垫，从而让水黾能够在水面上自由地穿梭滑行，却不会将腿弄湿。
在水黾的启发下，许多研究者设计了新型超级浮力材料。哈尔滨工业大学应用化学系的潘钦敏博士等研究人员就以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的微型船，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。
这种材料同样具有微纳米结构的表面，可在船外表面形成空气垫，改变船与水的接触状态，使船体表面在水中所受阻力更小。这种微型船在水面自由漂浮的同时可以承载比自身最大排水量多50%的重量。
水滴在某些植物的叶表面滚动时会表现出各向异性，可以简单解释为在不同方向上表现出的性质不同。江雷的课题组观察到，水稻叶表面水滴总是沿着平行叶脉方向滚动。原来，水稻叶表面具有类似于荷叶表面的微纳米相结合的多级结构，但是，在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列得井井有条，垂直方向上的排列则很“任性”，因此水珠更容易沿着平行叶脉方向滚动坠落。
2009年，江雷的团队在蝴蝶翅膀表面也发现了水滴滚动的各向异性。蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构，而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成。这种特殊微观结构导致水珠在蝴蝶翅膀表面滚动时具有各向异性。
这些研究结果为制备出浸润性可控的固体表面提供了重要的信息。掌握了这些，人们不仅可以控制固体和液体是否发生浸润，还可以控制液体在固体的哪个方向、什么程度上发生浸润。
3.让超疏水材料走出实验室
超疏水材料的应用面相当广泛，涵盖航天军工、建筑、医疗等各个方面。然而，由于受目前技术及开发成本等限制，实际产业化及商品化的还不多
超疏水特性能应用在哪些方面？不少研究者对此提出了畅想。
先想想跟我们生活息息相关的。有抗菌自清洁效应的超疏水表面应用于生活用品，可以减少清洗的麻烦；冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面上，不再有凝聚水、结霜、结冰现象；在建筑物内外墙、玻璃及金属框架等的防水、防雪和耐沾污等方面应用，可大大降低建筑物的清洁及维护成本。
思路开阔一点。天然气、石油管道内壁表面涂上超疏水分子膜，能够防止管道腐蚀，提高油气的传输效率。将其涂在远洋轮船船底，可以防污、防腐。
超疏水材料在微流体控制应用上也有出色的表现。研究者提出，控制微液滴的运动和流动并以此制造微液滴控制针头，使得在实验或生产过程中对液体滴加计量精确控制，实验试剂的添加将更得心应手。
还有专家认为，如果将这类技术运用到诸如静电喷涂领域，比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头，将会使喷涂的液滴更加均匀，雾化效果更好，可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合。
上述专家介绍，超疏水材料目前主要有几种制备方法，包括模板法、等离子法、化学气相沉积法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法等，基本上都是在低表面能的材料上构造粗糙表面。
这些方法要么过于昂贵；要么设备要求高、条件苛刻、周期长，只能在实验室少量制造；要么疏水表面强度不耐磨损；要么疏水性持久性不强，易被油性物质污染……目前，研究者一方面在想方设法制造出不同结构具有不同特性的疏水材料，比如一些既疏水又疏油的超双疏材料研究，一方面也在绞尽脑汁让它们走进实际应用。
目前，华南理工大学化学与化工学院相关团队在制备超疏水性涂膜方面取得了良好的进展。他们制备出微纳复合结构的粒子后，与有机硅复合做成涂料，喷涂这种涂料即可制备超疏水涂膜，成为为数不多的具有实际应用价值的技术方法之一。
针对超疏水涂料易磨损而导致强度不够的问题，上述团队也提出了新的思路：在物体表面先涂一层胶水，再喷涂疏水涂料，这样能使疏水涂料与物体表面更好地黏合，疏水强度得到了保障。
最近一期的《科学》杂志上，英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥也提出，在黏胶上喷涂超疏水涂料的方法可以有效改善超疏水涂料易磨损的弱点，“将超疏水领域的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服”。