荷葉效應(yīng)引起的的超疏水表面研究

1、由荷葉到超疏水表面荷葉自清潔效應(yīng)荷葉自清潔效應(yīng)“予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖.” .” 北宋理北宋理學(xué)家周敦頤在愛蓮說中用這樣的詩句表達(dá)了對蓮花品性學(xué)家周敦頤在愛蓮說中用這樣的詩句表達(dá)了對蓮花品性的熱愛。蓮花為什么會有的熱愛。蓮花為什么會有“出淤泥而不染出淤泥而不染”的特性呢？的特性呢？荷葉效應(yīng)圖片荷葉自清潔效應(yīng)荷葉自清潔效應(yīng)荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟。這種特殊的結(jié)構(gòu)有助于鎖住空氣，進(jìn)而防止水將表面潤濕。的表皮蠟。這種特殊的結(jié)構(gòu)有助于鎖住空氣，進(jìn)

2、而防止水將表面潤濕。水滴在荷葉上形成一個球形，而不是鋪展開來，像這樣的表面，就是水滴在荷葉上形成一個球形，而不是鋪展開來，像這樣的表面，就是“超疏水表面超疏水表面”。這種超疏水表面可以有效地防止被污水污染，并且表。這種超疏水表面可以有效地防止被污水污染，并且表面的灰塵，雜質(zhì)也會被雨水帶走。面的灰塵，雜質(zhì)也會被雨水帶走。荷葉表面（左）以及其在掃描電子顯微鏡下的形貌（右，比例尺為1 m）荷葉自清潔效應(yīng)荷葉自清潔效應(yīng)荷葉具有超疏水的表面微觀結(jié)構(gòu)，它的表面有細(xì)小的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，還荷葉具有超疏水的表面微觀結(jié)構(gòu)，它的表面有細(xì)小的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，還包裹著不親水的表皮蠟，這些結(jié)構(gòu)托起水滴，減小了固體和液體的接觸

3、包裹著不親水的表皮蠟，這些結(jié)構(gòu)托起水滴，減小了固體和液體的接觸面積，使水滴處于面積，使水滴處于“半懸空半懸空”的狀態(tài)。的狀態(tài)。荷葉表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)正是由于這些粗糙的凸起，正是由于這些粗糙的凸起，導(dǎo)致水滴落在在荷葉表面時，導(dǎo)致水滴落在在荷葉表面時，刷子狀的細(xì)微突起和空隙中刷子狀的細(xì)微突起和空隙中的空氣共同托起了水滴。的空氣共同托起了水滴。超疏水研究超疏水研究水滴玩蹦床水滴玩蹦床在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕表面，而如果是水在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕表面，而如果是水滴從高處滴落到超疏水表面上，它們甚至還能彈跳起來。但滴從高處滴落到超疏水表面上，它們甚至還能彈跳起來。但是，如果是原

4、本靜止的水滴，有沒有辦法能讓它自己是，如果是原本靜止的水滴，有沒有辦法能讓它自己“蹦起蹦起來來 ” 呢 ？ 最 近 ， 瑞 士 蘇 黎 世 理 工 大 學(xué) 布 里 卡 克 斯呢 ？ 最 近 ， 瑞 士 蘇 黎 世 理 工 大 學(xué) 布 里 卡 克 斯（PoulikakosPoulikakos）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地彈跳了起來，這一發(fā)現(xiàn)于彈跳了起來，這一發(fā)現(xiàn)于20152015年年1111月月4 4日發(fā)表在了自然日發(fā)表在了自然（NatureNature）期刊上。）期刊上。超疏水研究水滴玩蹦床從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳超疏水研究超疏水研究

5、水滴玩蹦床水滴玩蹦床從疏水表面上自己跳起來的水滴超疏用研究超疏用研究水滴玩蹦床水滴玩蹦床水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實(shí)就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實(shí)就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上，然后降低周圍的氣壓。當(dāng)氣壓究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上，然后降低周圍的氣壓。當(dāng)氣壓降低到一定程度之后，水滴自己就會蹦跳起來，并且還像蹦床運(yùn)動員一降低到一定程度之后，水滴自己就會蹦跳起來，并且還像蹦床運(yùn)動員一樣能夠越跳越高。樣能夠越跳越高。超疏水表面的柯西模型示意圖研究者們所使用的超疏水研究者們所使用的超疏水表面與荷葉也有類似的結(jié)表面與荷葉也有類

6、似的結(jié)構(gòu)，當(dāng)水滴構(gòu)，當(dāng)水滴“坐坐”在上面在上面時，其實(shí)是刷子狀的細(xì)微時，其實(shí)是刷子狀的細(xì)微突起和空隙中的空氣共同突起和空隙中的空氣共同托起了它。托起了它。超疏水研究水滴在玩蹦床在密閉環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時，在密閉環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時，水分子的擴(kuò)散就會加劇，從而加速液體蒸發(fā)。當(dāng)然，蒸發(fā)的水分子的擴(kuò)散就會加劇，從而加速液體蒸發(fā)。當(dāng)然，蒸發(fā)的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當(dāng)水滴方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當(dāng)水滴“坐坐”在超疏水表面上時，水滴在下部的蒸發(fā)就會受到阻礙。超疏在超疏水表面上時，水滴在下部的蒸發(fā)就會受到阻礙。超疏水表面的空隙

7、是開放的，但即使如此，空氣在其中依然不能水表面的空隙是開放的，但即使如此，空氣在其中依然不能那么順暢的流動。這樣一來，隨著水滴的蒸發(fā)，在水滴下方那么順暢的流動。這樣一來，隨著水滴的蒸發(fā)，在水滴下方水蒸氣就會聚集起來，產(chǎn)生一個過壓強(qiáng)。這個額外的壓強(qiáng)會水蒸氣就會聚集起來，產(chǎn)生一個過壓強(qiáng)。這個額外的壓強(qiáng)會給水滴一個向上的力，當(dāng)壓力超過了重力加上水與基底的黏給水滴一個向上的力，當(dāng)壓力超過了重力加上水與基底的黏附力時，水滴會被頂?shù)锰饋砝?。?dāng)然，在設(shè)計(jì)超疏水基底附力時，水滴會被頂?shù)锰饋砝?。?dāng)然，在設(shè)計(jì)超疏水基底的時候要保證結(jié)構(gòu)足夠矮，足夠擁擠，才能使氣體流通不順的時候要保證結(jié)構(gòu)足夠矮，足夠擁擠，才能使

8、氣體流通不順暢。暢。超疏水研究水滴在玩蹦床水滴被彈起之后獲得了動能，當(dāng)上升到一定高度之后自然會下落碰撞超水滴被彈起之后獲得了動能，當(dāng)上升到一定高度之后自然會下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面疏水表面。超疏水表面對水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面時不會因黏附而損失很多能量，并且會在表面彈跳。時不會因黏附而損失很多能量，并且會在表面彈跳。積攢在凸起之間的水蒸氣讓水滴跳了起來超疏水應(yīng)用超疏水應(yīng)用水滴在玩蹦床水滴在玩蹦床此外，碰撞時基底結(jié)構(gòu)中的水蒸氣又會助水滴此外，碰撞時基底結(jié)構(gòu)中的水蒸氣又會助水滴“一臂之力一臂之力”，從而水滴，從而水滴在每一次碰撞時都會

9、獲得一個加速度，進(jìn)而越蹦越高，就像一個蹦床運(yùn)在每一次碰撞時都會獲得一個加速度，進(jìn)而越蹦越高，就像一個蹦床運(yùn)動員一樣。動員一樣。和蹦床上的人一樣，水滴也可以越跳越高超疏水研究超疏水研究水滴在玩蹦床水滴在玩蹦床水滴的跳動還可以帶動懸臂進(jìn)行持續(xù)的振動。水滴的跳動還可以帶動懸臂進(jìn)行持續(xù)的振動。水滴帶動懸臂震動超疏用研究超疏用研究水滴玩蹦床水滴玩蹦床萊頓弗羅斯特效應(yīng)：在生活中，尤其是冬天用爐子燒水的時萊頓弗羅斯特效應(yīng)：在生活中，尤其是冬天用爐子燒水的時候，水滴在到處翻滾而不會潤濕爐子，最終蒸發(fā)殆盡，這也候，水滴在到處翻滾而不會潤濕爐子，最終蒸發(fā)殆盡，這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結(jié)果。是高溫下水蒸氣把水

10、滴托起的結(jié)果。萊頓弗羅斯特效應(yīng)，在溫度遠(yuǎn)超沸點(diǎn)的灼熱表面上，蒸汽托起水滴并推動它移動超疏用研究超疏用研究自動除冰自動除冰除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示了更加酷炫的除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示了更加酷炫的“冰滴飛起冰滴飛起”現(xiàn)象。在同樣的低壓條件下，將過冷水置于超疏水表面上，隨著時間推現(xiàn)象。在同樣的低壓條件下，將過冷水置于超疏水表面上，隨著時間推移，過冷水結(jié)冰，而移，過冷水結(jié)冰，而“結(jié)冰結(jié)冰+ +低壓低壓”同樣可以導(dǎo)致一個加速蒸發(fā)的過程，同樣可以導(dǎo)致一個加速蒸發(fā)的過程，從而推動冰滴，使它從表面上騰空而起。從而推動冰滴，使它從表面上騰空而起。自動除冰超疏水研究超疏水研究自動除冰自

11、動除冰環(huán)境因素限制了它的應(yīng)用：環(huán)境因素限制了它的應(yīng)用：對于需要預(yù)防結(jié)冰的表面，這種現(xiàn)象看起來是個好消息。不對于需要預(yù)防結(jié)冰的表面，這種現(xiàn)象看起來是個好消息。不過，德國馬普所的福爾默（過，德國馬普所的福爾默（VollmerVollmer）教授指出，盡管這一）教授指出，盡管這一系列工作很酷炫，但如何應(yīng)用它還是個難題。尤其在戶外的系列工作很酷炫，但如何應(yīng)用它還是個難題。尤其在戶外的開放環(huán)境下，依靠降低氣壓來防止結(jié)冰很難操作。開放環(huán)境下，依靠降低氣壓來防止結(jié)冰很難操作。超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究了解了超疏水原理和一些有趣的現(xiàn)象，那么在實(shí)際應(yīng)用中到了解了超疏水原理和一些有趣的現(xiàn)象，那么在實(shí)際應(yīng)用中到底

12、有那些材料利用了這些原理呢？底有那些材料利用了這些原理呢？超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究油中實(shí)驗(yàn)過程。污垢分別使用公園里的土壤（油中實(shí)驗(yàn)過程。污垢分別使用公園里的土壤（SoilSoil）和室內(nèi)）和室內(nèi)的灰塵（的灰塵（DustDust）充當(dāng)，油選用十六烷（）充當(dāng)，油選用十六烷（HexadecaneHexadecane）和食用）和食用油（油（Cooking oilCooking oil）。經(jīng)過疏水涂料處理的表面被部分浸潤）。經(jīng)過疏水涂料處理的表面被部分浸潤在油中，界面處撒有污垢。之后，研究者向表面滴水（為了在油中，界面處撒有污垢。之后，研究者向表面滴水（為了便于分辨，水被事先染成藍(lán)色），以清除表面上

13、的的污垢。便于分辨，水被事先染成藍(lán)色），以清除表面上的的污垢。以上實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)了疏水疏油超雙疏表面，這個想法來自于疏水以上實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)了疏水疏油超雙疏表面，這個想法來自于疏水材料的一點(diǎn)拓展，是根據(jù)豬籠草的自清潔效應(yīng)來的，屬于仿材料的一點(diǎn)拓展，是根據(jù)豬籠草的自清潔效應(yīng)來的，屬于仿生研究，可以達(dá)到除油的效果。生研究，可以達(dá)到除油的效果。超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究經(jīng)粘膠和超疏水涂層處理的表面，即便經(jīng)過多次刀劃，也仍然保持自清潔功能超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究自清潔涂層材料自清潔涂層材料研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝，利用一步成膜法于鋁、銅、研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝，利用一步成膜法于鋁、銅、鋼及玻璃等基材

14、表面制備聚合物納米纖維微鋼及玻璃等基材表面制備聚合物納米纖維微- -納米雙重織構(gòu)納米雙重織構(gòu)超疏水自清潔涂層材料，其涂層于水下運(yùn)動體及輸電導(dǎo)線表超疏水自清潔涂層材料，其涂層于水下運(yùn)動體及輸電導(dǎo)線表面表現(xiàn)出良好減阻降噪、自清潔防結(jié)冰效果（圖面表現(xiàn)出良好減阻降噪、自清潔防結(jié)冰效果（圖1010），涂層），涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度高，且具備優(yōu)異耐高低溫、耐酸堿介質(zhì)、耐與基材結(jié)合強(qiáng)度高，且具備優(yōu)異耐高低溫、耐酸堿介質(zhì)、耐紫外氣候老化等工程應(yīng)用性能（圖紫外氣候老化等工程應(yīng)用性能（圖1111），），“自清潔防結(jié)冰玻自清潔防結(jié)冰玻璃絕緣子璃絕緣子”及其工程應(yīng)用示范推廣（圖及其工程應(yīng)用示范推廣（圖1212）。）。 超

15、疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究自清潔涂層材料自清潔涂層材料超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究超疏液制備超疏液制備液體殘留、污染和流動不暢是隨處可見的問題，例如衣服沾液體殘留、污染和流動不暢是隨處可見的問題，例如衣服沾了油污難以洗凈，醫(yī)院里大量使用一次性容器來避免液體樣了油污難以洗凈，醫(yī)院里大量使用一次性容器來避免液體樣品的污染，諸如此類的問題都指向了一個普遍而重大的挑戰(zhàn)：品的污染，諸如此類的問題都指向了一個普遍而重大的挑戰(zhàn)：開發(fā)特殊表面，使得各種液體包括高表面能的水溶液和較低開發(fā)特殊表面，使得各種液體包括高表面能的水溶液和較低表面能的液體（通稱為油）都能極少殘留及吸附，并且易于表面能的液體（通稱為油）都

16、能極少殘留及吸附，并且易于流動?？茖W(xué)家們借鑒了荷葉等自然界中的自清潔效應(yīng)，開發(fā)流動?？茖W(xué)家們借鑒了荷葉等自然界中的自清潔效應(yīng)，開發(fā)了多種了多種“超疏水表面超疏水表面”，但一般只適用于高表面能的水溶液，但一般只適用于高表面能的水溶液，而對于種類繁多的低表面能液體卻無能為力。而對于種類繁多的低表面能液體卻無能為力。超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究超疏液制備超疏液制備為開發(fā)適用于任何液體的為開發(fā)適用于任何液體的 “超疏液超疏液”表面，需要特殊的倒懸表面，需要特殊的倒懸微納米結(jié)構(gòu)，但其制備仍受限于重要瓶頸，包括工藝和材料微納米結(jié)構(gòu)，但其制備仍受限于重要瓶頸，包括工藝和材料互相耦合，僅可在少數(shù)材料上才能制備

17、微納倒懸結(jié)構(gòu)，而且互相耦合，僅可在少數(shù)材料上才能制備微納倒懸結(jié)構(gòu)，而且微納倒懸結(jié)構(gòu)的可控制備困難，如果采用化學(xué)方法難以精細(xì)微納倒懸結(jié)構(gòu)的可控制備困難，如果采用化學(xué)方法難以精細(xì)控制結(jié)構(gòu)，重復(fù)性差，而微納加工十分可控但需要昂貴的設(shè)控制結(jié)構(gòu)，重復(fù)性差，而微納加工十分可控但需要昂貴的設(shè)備。備。超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究超疏液制備超疏液制備先在先在SiSi或是光刻膠基底上采用微機(jī)電系統(tǒng)（或是光刻膠基底上采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMSMEMS）工藝加工）工藝加工出規(guī)則、精確的出規(guī)則、精確的“T”“T”型微結(jié)構(gòu)，然后澆注彈性體材料如聚型微結(jié)構(gòu)，然后澆注彈性體材料如聚二甲基硅氧烷（二甲基硅氧烷（PDMSPDMS）

18、，得到倒），得到倒“T”“T”型結(jié)構(gòu)的型結(jié)構(gòu)的PDMSPDMS軟印章，軟印章，將多種可固化材料制成溶液澆筑到將多種可固化材料制成溶液澆筑到PDMSPDMS印章上并脫模，最后印章上并脫模，最后在成型的在成型的T T型微結(jié)構(gòu)上做低表面能修飾，就可以得到性能優(yōu)型微結(jié)構(gòu)上做低表面能修飾，就可以得到性能優(yōu)異的超疏液表面。異的超疏液表面。超疏液應(yīng)用研究超疏液應(yīng)用研究超疏液制備超疏液制備超疏液表面的原理及軟復(fù)制工藝示意圖超疏水應(yīng)用研究超疏水應(yīng)用研究超疏液制備超疏液制備由于由于“T”“T”型微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用，而型微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用，而PDMSPDMS印章便于脫模且可反印章便于脫模且可反復(fù)使用（不少于復(fù)使用（不少于100100次），因此次），因此1 1個微結(jié)構(gòu)便可復(fù)制出個微結(jié)構(gòu)便可復(fù)制出100100* *100100即即1 1萬個相同結(jié)構(gòu)、成本低廉的子模板，從而保證了萬個相同結(jié)構(gòu)、成本低廉的子模板，從而保證了性能可靠，并大幅稀釋了微加工成本。其典型接觸角對水和性能可靠，并大幅稀釋了微加工成本。其典型接觸角對水和十六烷均高于十六烷均高