在中国古诗词中,文人墨客常用珠玑妙语来形容一些神奇而美好的事物,比如:
“出淤泥而不染”“攀荷弄其珠,荡漾不成圆”“叶上初阳干宿雨,水面清圆,一一风荷举”……讲得是荷花的高洁姿态。生活中,我们也常观察到,雨滴打在荷叶上,犹如“大珠小珠落玉盘”。那么,荷叶究竟为何能够有这种神奇的特性呢?

01大自然的神奇启迪
人们很早就知道,水滴很难在荷叶表面停留,雨滴落下来,很快就会从荷叶表面滚落,并带走荷叶表面的尘土和杂物,因此,荷叶总是能保持干净整洁,做到“出淤泥而不染”。其实,除了荷叶,还有许多生物也具备这一神奇属性:

水稻叶片也存在这种滚动各向异性,当水滴落在水稻叶片上时,就会看到水滴从平行叶边缘的方向流动。

蝉翼虽薄,却也不会被雨水浸湿,雨过天晴,蝉又能展翅高飞。

“趴”在水面上的水黾,用腿一蹬就能在水面划出一道波痕……

这些大自然的神奇现象,困惑了人们很多年,直到1999年,Barthlott和Neihuis最早对这一现象进行了解释:这种自清洁的特征,是由于粗糙表面上的微米结构的乳突,以及表面蜡状物的存在共通引起的,乳突的平均直径为5~9um。也就是说,这些物体表面通常有微米级别的粗糙结构,并且存在蜡状物质。这二者使得具有较好的疏水性,使得荷叶能够出淤泥而不染,表面大珠小珠落玉盘。

正是从这些现象中,科学家得到启迪,发现了一种特殊的材料——疏水材料。

此后,人们对疏水材料逐步有了更多认识。

02超疏水材料的基础原理
怎么理解超疏水材料呢?当一滴水落在固体表面时,会形成不同的形貌,与固体表面形成的角度θ称为接触角。

所谓接触角,就是沿着气、液、固三相交点处,画一条气-液界面的那条切线,这条切线与交界线之间的夹角θ。

接触角的范围在0°和180°之间。

接触角示意图

对于一种材料,是亲水或是疏水,可以依据接触角的值来判断。
当接触角的值≥90°时,则定义为疏水,接触角越大表面疏水性能越好。超疏水是指接触角大于150°的润湿状态。

亲水、疏水接触角示意图

03超疏水材料的制备与应用
上文中提到荷叶表面超疏水性能,是由于有微米级别的粗糙结构(物理结构)和一些蜡质状物质(化学物质)同时作用。制备仿生超疏水表面也是基于这两种方法:1、创造粗糙的结构 2、增加一些化学材料

早期的方法,主要是一些化学方法,当然科学家并不是采用“蜡质”材料,而是选择了效果更好的含“氟”物质,在所需的表面形成“氟”涂层。

到后期,很多微观表面处理技术得到发展,科学家开始主动制造粗糙结构,自然界荷叶表面的粗糙结构都是微米级别,而现在的技术已经能实现制造更小的(纳米级别)粗糙结构。

由于超疏水材料的特性,能够实现“滴水不沾”,具备防水、防冰、防雾、自清洁的特性,因此其运用范围也很广,从航空航天领域,到日常生活,都能看到超疏水材料的身影。比如在飞行器表面,使用超疏水涂层,就能防止水滴残留,从而不会形成大面积结冰,保障飞行性能,避免空难发生。

在日常生活中,使用超疏水材料做成的户外服,下雨也不会淋湿,能够实现“自清洁”。使用了超疏水涂层的酸奶盖,可以让你“舔盖”的尴尬。

古诗词里,有“出淤泥而不染”的美好品质;中国功夫里,有“轻功水上漂”的武功绝技;

而在科学的世界里,有超疏水材料,演绎着“我虐水滴千百遍,水滴待我如初恋”的神奇故事。

参考文献:[1]Barthlott,Neinhuis.Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces。Planta 1997, 202 (1), 1-8

[2]刘成宝,李敏佳,刘晓杰,陈志刚.超疏水材料的研究进展[J]。苏州科技大学学报(自然科学版),2018,35(04)

[3]王奔,念敬妍, 铁璐.稳定超疏水性表面的理论进展[J]。物理学报,2013,62 (14) :1-15

 

 
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