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“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，相信很多人都對這句話記憶尤深，而荷花之所以能保持干凈，離不開荷葉的庇護，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，荷葉的表面是潔凈無比的，當水低落在葉面上時并不會潤浸其中，而是圓圓的一顆滾來滾去，而“自清潔”和“不沾濕”這兩種特性就被統(tǒng)稱為荷葉效應(yīng)。

荷葉為什么會有如此神奇的能力呢？

我們從微觀視角一看便知，先將荷葉放大500倍觀察，就會發(fā)現(xiàn)，它的表面并不像肉眼看到的光滑細膩，而是分布著一個個小的凸起——乳凸，它們的平均尺寸接近10微米平均間距在20微米左右，

再將一個乳凸放大觀察，當顯微鏡的度數(shù)達到10000倍時，就能看到乳凸上面還密密麻麻地分布著細微的棒狀蠟質(zhì)晶體，它們的長度接近1微米，直徑則在100納米左右。也就是說，在荷葉表面存在著復雜的“微米—納米”雙重結(jié)構(gòu)，也正是這種結(jié)構(gòu)決定了荷葉的特殊性質(zhì)。

我們可以將這些乳凸看作一個個隆起的“小山包”，它們之間的凹陷部分充滿著空氣，水滴的最小直徑為1-2毫米，遠大于乳凸的尺寸。所以當雨水落下時，隔著極薄的空氣層，它僅能與“小山包”的頂端有些接觸，而不能浸潤到荷葉表面，又因為表面張力的作用，水滴就會保持球狀體，并在滾動的過程中吸附灰塵，最終滾出葉面。

而在自然界中，不僅僅是荷葉，許多生物都擁有超疏水的能力，例如蝴蝶的翅膀，水黽的腿等等，將它們在顯微鏡下放大，都會觀察到與荷葉相似的“微米—納米”級結(jié)構(gòu)。

超疏水性是什么？

超疏水性是指水滴和固體表面的接觸角大于150°，且滾動角小于10°的一種潤濕性。荷葉表面是超疏水表面的典型代表，雨水接觸荷葉表面時會自由滾落，并將荷葉表面的灰塵帶走，實現(xiàn)自清潔功能。不只是荷花上有，昆蟲的足上也有比如水黽，蚊子都能在水上行走而不劃破水面這就是因為其上面的超疏水材料。

超疏水表面

從 Web of Science 以超疏水為主題發(fā)表的論文數(shù)量顯示, 超疏水領(lǐng)域依然是研究熱點, 并且文章數(shù)量呈現(xiàn)遞增趨勢, 超疏水表面之所以能引起學術(shù)界如此大的興趣，主要原因是其具有抗?jié)櫇?、防結(jié)冰、耐腐蝕、減阻等性質(zhì)，從而可在紡織業(yè)、建筑、軍事、航空等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

超疏水涂層的制備方法

1. 刻蝕修飾法

刻蝕修飾法是最簡單的實現(xiàn)人工超疏水表面的方法, 該方法通過化學濕法刻蝕、激光刻蝕、機械加工處理等方式構(gòu)建微米/納米級粗糙結(jié)構(gòu), 然后采用低表面能物質(zhì)對刻蝕后的粗糙結(jié)構(gòu)表面進行超疏水修飾。

2. 電化學法

電化學法是在外加恒定電流或恒定電壓的情況下, 通過控制一定的工藝參數(shù)制備超疏水涂層的方法。

3. 物理、化學沉積法

早期研究者采用物理氣相沉積法(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)， 為了實現(xiàn)大規(guī)模化、工藝簡單、低成本、可操作性強的超疏水涂層, 基于溶膠–凝膠法的浸涂或刷涂的方式受到研究者廣泛的關(guān)注, 為了進一步提高涂層與基體的結(jié)合力, 噴涂固化的方式得到更為廣泛的應(yīng)用。

超疏水涂層的應(yīng)用

1.自清潔

由于水滴在超疏水表面的極不浸潤性, 當水滴與超疏水表面接觸時, 水滴在重力或輕微外力的作用下滾動滑落而離開表面, 因此, 超疏水表面的污染物或某些細菌隨著水滴的滾動離開, 從而達到表面自清潔的目的。

2. 防覆冰

超疏水表面普遍存在小液滴彈跳現(xiàn)象, 其原因為遭到液滴撞擊時的小液滴動能不易轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷砻鎯?nèi)能, 超疏水涂層的表面張力較小。因此, 當?shù)蜏丨h(huán)境下的超疏水表面出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象時, 彈跳的液滴于結(jié)冰形核前離開超疏水表面, 從而減緩界面的過冷傳輸過程, 達到防覆冰的目的。

滑液注入式多孔界面(SLIPS)防冰

3.耐腐蝕

基于Cassie-Baxter模型的空氣層理論及其微納結(jié)構(gòu)的毛細效應(yīng), 使得超疏水表面和腐蝕介質(zhì)之間存在大量的空氣層, 這些絕緣的空氣層可阻止或抑制離子的遷移, 在金屬基體與腐蝕介質(zhì)之間形成阻隔屏障。

超疏水自修復耐蝕涂層

4.油水分離

油水分離主要采用超疏水/親油性的分離膜和超親水/疏油性的分離膜, 超疏水表面在油水分離中的應(yīng)用主要通過重力或外力的驅(qū)動作用, 油穿過分離膜且水被攔截在分離膜表面, 從而達到油水分離的目的。

發(fā)展與展望

現(xiàn)階段超疏水涂層趨向于多功能一體化發(fā)展, 除經(jīng)常報道的應(yīng)用性能外, 受光、電、磁等外部刺激而引起的智能響應(yīng)涂層更受研究者關(guān)注。目前已有研究報道磁性超疏水涂層在磁場驅(qū)動下定向油水分離, 磁性隱身超疏水涂層擬應(yīng)用于提高戰(zhàn)斗機的機動性和突防能力, 同時超疏水阻燃紙的研究改變了人們的傳統(tǒng)思維, 諸如此類超疏水研究成果將對未來的人類生活、工業(yè)發(fā)展和國防科技等領(lǐng)域帶來巨大改變。

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