超疏水材料新进展

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1、超疏水材料新进展〃予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖…•…〃北宋理学家周敦颐在《爱莲说》中用这样的诗句表达了对莲花品（ren）格（xing）的热爱。而在科技高度发展的今天，莲花〃岀淤泥而不染〃这一特性，引起了国内外科学家们的兴趣。我们的故事就从荷叶的〃自清洁〃效应开始讲起。荷叶本身是不沾水的，这是由于荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气，进而防止水将表面润湿。水滴在荷叶上形成一个球形，而不是铺展开来，像这样的表面，就是〃超疏水表面〃。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染,并且表面的灰尘，杂质也会被雨水带走。这便是荷叶〃

2、岀淤泥而不染〃的原因了。荷叶表面（左）以及其在扫描电子显微镜下的形貌（右，比例尺为1nm）图片来源：左图：shutterstock友情提供；右图：参考文献[1]荷叶这种自清洁性能被人们称为〃荷叶效应〃。近20年来，仿荷叶的人造超疏水表面不断涌现。然而，这项技术由于种种限制，一直未能大规模地应用。现有的很多超疏水表面，都容易被油污染失去超疏水性。为了解决这个问题，学者们又设法开发出了一种疏水疏油的超双疏表面⑵，我也曾跟风硏究了一下⑶。然而，机械岀身的我在硏究中发现，虽然双疏表面在自清洁方面略胜一筹，但对于一些需要润滑的零件就不适用了：比如轴承，齿轮这样的零件，

3、如果连润滑油都排斥，就没办法愉快地工作了。如果能找到一种被油污染，甚至浸润到油里，仍然可以自清洁的材料，或许就能解决这一问题。很快，我在从一篇仿猪笼草制备自清洁表面的论文⑷中得到了启示。这种表面利用微观粗糙结构锁住润滑油，使得液滴在滑落表面的过程中带走灰尘。那么我们的材料是否也可以做到这点咧？一开始，我先将自制的疏水涂料涂在玻璃表面，然后将十六烷（柴油的主要成分）涂在疏水涂料表面。随后将该表面一半浸入十六烷中，—半暴露于空气中，将用一氧化猛粉末模拟的〃灰尘〃分别洒在表面上浸入油中和暴露于空气中的部分，用水冲洗。结果表明，即使被油污染，这种〃猪笼草效应"仍然可

4、以保证自清洁性能。在日常生活中和工业生产中，我们的材料常常会遇到食用油和柴油，以及室内室外的灰尘。于是我又选取了这些作为我实验的材料，重复了上述的自清洁实验。auevapexeH=0Me^oooolueoapexaH=oM.SZOO0油中实验过程。污垢分别使用公园里的土壤（Soil）和室内的灰尘（Dust）充当，油选用十六烷（Hexadecane）和食用油（Cookingoil）。经过疏水涂料处理的表面被部分浸润在油中，界面处撒有污垢。之后，硏究者向表面滴水（为了便于分辨，水被事先染成蓝色），以清除表面上的的污垢。图片来源：详见参考文献⑸在超疏水领域里，还有

5、一个重要的问题一一强度问题。由于超疏水表面依托于微米/纳米量级的微观结构，这种结构极易磨损，从而导致超疏水表面有着〃不结实"的弱点。我也看到过网上一些很酷炫的超疏水喷漆，它们都无法回避强度问题：假如这些涂料很脆弱，那么自然不耐用；假如这些涂料强度很高，喷到头发或皮肤上怎么办？这东西疏水，所以用水洗没用，也肯定不能用丙酮什么的去洗。说来也巧，一次无意中，我将自制的疏水涂料涂在透明胶的粘黏面上，却意外地发现无论用刀刮还是砂纸磨，都无法将涂料从胶上除去。那情形大致就好比抓一把尘土洒在胶上，粘上了，就很难再将尘土除去。基于这个启示，我尝试了用双面胶涂在玻璃表面，然后

6、加入疏水涂料，形成类似三明治的结构一一玻璃和疏水涂料分别粘结在双面胶两侧。这样一来，表面就变得非常坚固，甚至用砂纸交叉摩擦几十个来回，仍然可以保持表面超疏水性。为了让疏水涂料更加广泛地应用于棉花，纸张，布料等软材料，我采用了喷胶，结果同样得到了耐磨的超疏水表面。在日常生活中，一个表面通常会经历的〃暴力〃遭遇包括手抹（例如墙面）和刀划（例如车），因此在表面强度测试中，我又加入了手抹和刀划测试。然而，被虐千百遍的疏水表面却依然待我如初恋，毅然坚挺地排斥着水滴。在进行各项其他实验之后，我和同事把研究结果写成论文，发表在了《科学》杂志上⑸。其实，这个硏究的精髓并不在

7、于把超疏水表面做到多强多耐磨，而是提供了一种思路一一将超疏水领域的〃脆弱〃的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服。在具体的生产实践中，无论是大到挖掘机防水，还是小到自家涂墙，都可以根据需要选择属于自己的胶去做〃中介〃。换言之，胶有多给力，超疏水表面就有多给力。并且，相比于直接喷涂结实的超疏水涂层，这种两步法（胶+涂料）更加安全灵活。安全性体现在，如果不小心直接把超疏水涂料喷在皮肤上，拿个纸巾就可以擦掉；灵活性体现在，可以根据具体情况，选取合适的胶，进而调整超疏水涂层的强度。沿着这个思路，相信在不久的将来，会有更多更酷炫的超疏水材料出现。