荷叶效应引起的的超疏水表面研究

超疏水表面的柯西模型示意
图
超疏水研究——水滴在玩蹦床
在密闭环境下，当环境气压降低并保证较低的环境湿度时， 水分子的扩散就会加剧，从而加速液体蒸发。当然，蒸发的 方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而当水滴“坐” 在超疏水表面上时，水滴在下部的蒸发就会受到阻碍。超疏 水表面的空隙是开放的，但即使如此，空气在其中依然不能 那么顺畅的流动。这样一来，随着水滴的蒸发，在水滴下方 水蒸气就会聚集起来，产生一个过压强。这个额外的压强会 给水滴一个向上的力，当压力超过了重力加上水与基底的黏 附力时，水滴会被顶得跳起来啦。当然，在设计超疏水基底 的时候要保证结构足够矮，足够拥挤，才能使气体流通不顺 畅。
超疏水应用研究——自清洁涂层材料
超疏水应用研究——超疏液制备
液体残留、污染和流动不畅是随处可见的问题，例如衣服沾 了油污难以洗净，医院里大量使用一次性容器来避免液体样 品的污染，诸如此类的问题都指向了一个普遍而重大的挑战： 开发特殊表面，使得各种液体包括高表面能的水溶液和较低 表面能的液体（通称为油）都能极少残留及吸附，并且易于 流动。科学家们借鉴了荷叶等自然界中的自清洁效应，开发 了多种“超疏水表面”，但一般只适用于高表面能的水溶液， 而对于种类繁多的低表面能液体却无能为力。
超疏水应用研究——超疏液制备
先在Si或是光刻胶基底上采用微机电系统（MEMS）工艺加工 出规则、精确的“ T ”型微结构，然后浇注弹性体材料如聚 二甲基硅氧烷（ PDMS ），得到倒“ T ”型结构的 PDMS 软印章， 将多种可固化材料制成溶液浇筑到 PDMS印章上并脱模，最后 在成型的 T 型微结构上做低表面能修饰，就可以得到性能优 异的超疏液表面。
由荷叶到超疏水表面
荷叶自清洁效应
“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性 的热爱。莲花为什么会有“出淤泥而不染”的特性呢？
荷叶效应图片
荷叶自清洁效应
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。
超疏用研究——自动除冰
除了蹦跳的水滴之外，研究者还向人们展示了更加酷炫的“冰滴飞起” 现象。在同样的低压条件下，将过冷水置于超疏水表面上，随着时间推 移，过冷水结冰，而“结冰+低压”同样可以导致一个加速蒸发的过程， 从而推动冰滴，使它从表面上腾空而起。
自动除冰
超疏水研究——自动除冰
环境因素限制了它的应用： 对于需要预防结冰的表面，这种现象看起来是个好消息。不 过，德国马普所的福尔默（ Vollmer ）教授指出，尽管这一 系列工作很酷炫，但如何应用它还是个难题。尤其在户外的 开放环境下，依靠降低气压来防止结冰很难操作。
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1 µm）
荷叶自清洁效应
荷叶具有超疏水的表面微观结构，它的表面有细小的微观粗糙结构，还 包裹着不亲水的表皮蜡，这些结构托起水滴，减小了固体和液体的接触 面积，使水滴处于“半悬空”的状态。
正是由于这些粗糙的凸起， 导致水滴落在在荷叶表面时， 刷子状的细微突起和空隙中
的空气共同托起了水滴。
荷叶表面粗糙的微观结构
超疏水研究——水滴玩蹦床
在荷叶表面，圆圆的水滴滚落，不会润湿表面，而如果是水 滴从高处滴落到超疏水表面上，它们甚至还能弹跳起来。但 是，如果是原本静止的水滴，有没有办法能让它自己“蹦起 来”呢？最近，瑞士苏黎世理工大学布里卡克斯 （Poulikakos）教授的课题组就让疏水表面上的水滴自发地 弹跳了起来，这一发现于 2015 年 11 月 4 日发表在了《自然》 （Nature）期刊上。
超疏水应用研究——超疏液制备
为开发适用于任何液体的 “超疏液”表面，需要特殊的倒 悬微纳米结构，但其制备仍受限于重要瓶颈，包括工艺和材 料互相耦合，仅可在少数材料上才能制备微纳倒悬结构，而 且微纳倒悬结构的可控制备困难，如果采用化学方法难以精 细控制结构，重复性差，而微纳加工十分可控但需要昂贵的 设备。
和蹦床上的人一样，水滴也可以越跳越高
超疏水研究——水滴在玩蹦床
水滴的跳动还可以带动悬臂进行持续的振动。
水滴带动悬臂震 动
超疏用研究——水滴玩蹦床
莱顿弗罗斯特效应：在生活中，尤其是冬天用炉子烧水的时 候，水滴在到处翻滚而不会润湿炉子，最终蒸发殆尽，这也 是高温下水蒸气把水滴托起的结果。
莱顿弗罗斯特效应，在温度远超沸点的灼热表面上，蒸汽托起水滴并推动它移动
超疏水研究——水滴在玩蹦床
水滴被弹起之后获得了动能，当上升到一定高度之后自然会下落碰撞超 疏水表面。超疏水表面对水的黏附力极低，因此水滴在碰撞超疏水表面 时不会因黏附而损失很多能量，并且会在表面弹跳。
积攒在凸起之间的水蒸气让水滴跳了起来
超疏水应用——水滴在玩蹦床
此外，碰撞时基底结构中的水蒸气又会助水滴“一臂之力”，从而水滴 在每一次碰撞时都会获得一个加速度，进而越蹦越高，就像一个蹦床运 动员一样。
超疏液应用研究——超疏液制备
超疏液表面的原理及软复制工艺示意图
超疏水应用研究——超疏液制备
由于“ T ”型微结构稳定耐用，而 PDMS 印章便于脱模且可反 复使用（不少于100次），因此1个微结构便可复制出 100*100即1万个相同结构、成本低廉的子模板，从而保证了 性能可靠，并大幅稀释了微加工成本。其典型接触角对水和 十六烷均高于150度，接触角滞后低于15度，在经过10*10次 转印到PDMS、玻璃树脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等可固 化材料后，所获得的超疏液表面均与母版性能相当。同时， 此方法也赋予了超疏液表面更多材质特性，如柔性、透明、 生物兼容性等等。
超疏水研究——水滴玩蹦床
从高处下落的水滴在超疏水表面上弹跳
超疏水研究——水滴玩蹦床
从疏水表面上自己跳起来的水滴
超疏用研究——水滴玩蹦床
水滴究竟是怎么自己蹦起来的？答案其实就是降低周围环境的气压。研 究者们先让小水滴静止在超疏水表面上，然后降低周围的气压。当气压 降低到一定程度之后，水滴自己就会蹦跳起来，并且还像蹦床运动员一 样能够越跳越高。 研究者们所使用的超疏水 表面与荷叶也有类似的结 构，当水滴“坐”在上面 时，其实是刷子状的细微 突起和空隙中的空气共同 托起了它。
以上实验表现了疏水疏油超双疏表面，这个想法来自于疏水 材料的一点拓展，是根据猪笼草的自清洁效应来的，属于仿 生研究，可以达到除油的效果。
超疏水应用研究
经粘胶和超疏水涂层处理的表面，即便经过多次刀划，也仍然保持自清洁功能
超疏水应用研究——自清洁涂层材料
研究人员采用传统涂层固化工艺，利用一步成膜法于铝、铜、 钢及玻璃等基材表面制备聚合物纳米纤维微 - 纳米双重织构 超疏水自清洁涂层材料，其涂层于水下运动体及输电导线表 面表现出良好减阻降噪、自清洁防结冰效果（图10），涂层 与基材结合强度高，且具备优异耐高低温、耐酸碱介质、耐 紫外气候老化等工程应用性能（图11），“自清洁防结冰玻 璃绝缘子”应用研究
了解了超疏水原理和一些有趣的现象，那么在实际应用中到 底有那些材料利用了这些原理呢？
超疏水应用研究
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（Cooking oil）。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，研究者向表面滴水（为了 便于分辨，水被事先染成蓝色），以清除表面上的的污垢。
超疏水应用研究——超疏液制备
软复制后的Si基(a)及光刻胶基(b)子模板及柔性透明超疏液效果（c）