制作疏水材料表面

疏水材料的表面是如何制作的？

经常看到说结构什么什么的，可是这种结构是怎么制作的？纯靠化学反应吗？

请允许我先喊一句口号，“仿生材料学万寿无疆”！

特殊浸润性是现在老火的领域了，我的水平很低，修学分的时候认真读过一篇二十几页的综述，还有一篇十几页的嘛不太记得了，总之其实可次，就是瞎叨叨，有错误请专家不吝批评指正。

问题是疏水表面是怎么制作的，主要在“怎么”上。物理化学里面的内容，我不太记得，也不想多说了，总之物理化学也万寿无疆。感兴趣的朋友也可参考上面的答主提到的浸润性、接触角和滚动角等内容。我这种混流氓行的，对于具体的计算、公式什么的，特别无能。下面的描述中，也将偷换概念，偷懒，耍流氓，讲成一些不特别严谨但是应该基本正确的东西。

仿生学为超疏水材料的制备提供了最初的依据。

有答主提到了“荷叶效应”，对的，大多数的超疏水材料构筑都有参考荷叶表面结构。

而荷叶的表面结构特征有两点：

其一，特殊微纳结构。

其二，生物蜡。

具体展开一下，图片来自文献Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3240–3255。

（嘿，既然是科普性质的，我先说明，我已经是二次引用，感兴趣的同学请自行搜索上述文章及其参考文献，对综述作者北航的刘克松老师、江雷老师等以及参考文献的作者们表示感谢，感谢他们出色的工作，提供了这么美的图片。）

特殊微纳结构解释一下，上图是把荷叶表面进行放大，B中可以看到一片片密集的凸起，C中可以看到单个凸起表面的精细结构，文中描述是”cilium-like”（纤毛状的），凸起是“微”，纤毛是“纳”，一直讲的微纳结构就是指这种在μm和nm两个尺寸上的结构组成。

再看一幅图片，这是玫瑰花表面的高倍SEM（SEM就是电子显微镜，具体原理与本文关系不大，不赘述）图片，可以看出，虽然精细结构不尽相同，但是大致是类似荷叶的微纳结构。

这种微纳结构为什么能疏水呢？

科学地讲，应该用物理化学的模型进行计算和说明，如下图。

但是我不太会讲，也不太想翻译文献内容了因为真正爱学的少年可以自行去研究。

剩下的朋友们，我们这么理解一下：

水其实在表面张力的作用下，会形成一个球，因为这种状态下的表面张力最小；微纳结构的表面充满了一个又一个的小空间，里面是充满空气的，成为一个小气室；如果水珠足够小，则这些小水球可以挤出气室里的空气，进入气室，和材料表面融为一体，也就是润湿材料表面；可实际上，气室的尺寸很小，微纳米级别，水珠比较经常形成的尺寸相较而言很大，一般在毫米级别，不能够进去气室，于是形成了一种水珠在材料微纳结构表面放着，不进去的状态。（嗯，这个解释我感觉有些许不严谨，但是具体在哪里我真的不知道，谁知道，请告知。）

然后，这层结构表面覆盖了一层生物蜡，生物蜡是一种低表面能、疏水的物质，它加强了微纳结构的疏水效果。其它的，例如氟硅改性的各种烷啊之类表面能低的物质，它们制备出的材料，自身也会具有一些疏水的性能。

讲明白了上面两点，就是疏水材料仿生构筑的内容了。

一般有两种途径：

其一，体材料，也就是块材比如板啊制件啊什么的，直接进行表面疏水结构构筑和处理。

其二，制备成超疏水涂料，喷上去让目标物变成超疏水的。

两种方法是相辅相成的，都需要先尽量满足微纳结构合理、稳定，然后再修饰一层低表面的物质起到类似生物蜡的作用，以达到更好的效果。

题目里问到的化学反应这种提法太笼统了，物理和化学的方法都可以且会用到吧。仿生构筑是一项充满了艺术想象力的工作，基本上所有的物理和化学的手段都可以试一试，都有人在试，都也许可以成功制备疏水和超疏水表面。

从体材料和涂料上稍微讲一下具体内容吧。

体材料。如上图，首先使用硅获得微米级的硅线阵列，然后修饰上一层纳米结构。（原始文章我没看，又坑爹了，综述里说是self-assembly of tubular plant waxes生物蜡管自组装，哇撒，不做这个方向，没那么多时间细研究。）

此外，阵列的获得方法真心可多，从物理气相沉积到化学刻蚀，水热法，电沉积，都是可以的。操作起来，也不尽相同。

电沉积也许就是十块钱的事儿，有溶液，溶解了所需电解质，通上电，就会在基体上长出来；可如果要长得漂亮，就需要精细控制反应条件了，想要效果好，可能就贵了麻烦了。

物理气相沉积，起点就天差地别了，好一点的仪器大概要到上千万，但是可以沉积高温合金，高端大气上档次，火焰喷到了5m，温度范围可广，能加工好多东西。（特别外行的朋友，我给你讲，高温肯定是个特别难搞的事情，要能加热到高温就不容易，到了那个温度，反应都可活跃，需要防范的事情就非常多，反应物和产物别被氧化或跟别的东西反应了，就需要高度密封，适度降温，精准控温，是非常复杂的设计，我不做仪器，具体的不懂怎么做，只知道非常难……n(*≧▽≦*)n ……）

涂料，先明确两个概念，涂料和涂层。涂料涂装以后叫涂层。

展开。涂料一般是液态或粉末的，经过施工，涂装到基材或机器表面，然后固化成型，最终形成的那一层保护层叫涂层。就这样讲，我们讲的涂料就是家里买的乳胶漆什么的，可一旦涂完了再讲说掉漆，那时候的漆就是我们说的涂层，掉漆就是涂层被破坏了。o(╯□╰)o……

涂料的疏水构筑和体材料就不太一样，基本上是不可能获得上面的纳米线阵列那么规则的表面的，虽然那么整齐也不是特别有必要，因为荷叶的阵列也并不整齐，自然界原本就充满了随机这种美感。可我讲的又不全是废话，其实获得单铺一层的阵列结构都很难，因为涂料固化的过程中，里面的物质并不听话，不是你让它排队它就好好排队，还站一层且永不叠罗汉的，它们叠罗汉，叠完了还会垮。所以，就比较难。

疏水涂料靠的一个是自身表面能低，另一个就是加上颜填料调整涂装性能和涂料固化过程，尽量获得一个良好的疏水涂层表面。

涂料的制备包括化学反应如水解、聚合等，也可以是物理的高速机械分散，还可以是电化学的方法，总之也是多种多样的。

我一个师兄在用种子乳液聚合做一种疏水涂料，可能非常符合普罗大众对于化学工作者的想象，就是拿一些瓶瓶罐罐组装起来，倒进各种液体去，让它反应。~\(≧▽≦)/~ 总结：

1 疏水材料非常神奇，从发现荷叶效应受到启发开始，世界各地充满了研究者、课题组前赴后继地做研究，特殊浸润性是和纳米材料互有渗透的交叉前沿学科。

2 从方法论的角度，一些非常传统，非常简单的反应可以用来构筑疏水表面；也有一些高端大气上档次，好多人见都没见过，想都没想过的方法，在被用来做特殊浸润性表面。（比如我真的还没见过活的等离子束物理气相沉积，我见识短……）

3 从目前的结果上看，现在户外设备如冲锋衣啊什么的，已经在用一些超疏水涂层了，缺点是耐用性似乎比较差，我的冲锋衣一开始是有荷叶效应的，洗了一次以后就只能防水了，再没有水珠排排队、亭亭玉立的那种美感了……因为超疏水涂层要基于一定的微观结构才更有效，仅靠低表面能不容易做到效果特别好，而想让一个东西排排队站好还永远不乱，是违反了熵增定律的，在一定程度上也是反人类反科学的。

此外，建筑外墙涂料，是一直有一些自清洁的效果的，有一种是靠超亲水自清洁，也有是靠超疏水的。还有汽车、卫浴什么的，都有产品问世啦。研究也依然火热。

超疏水，超疏油，超双疏就像永动机一样，是一个可美好可美好的梦想，带来的自清洁、不沾污等附加效果，想想我都要流！口！水！了！（举了个烂例子，超疏是可以实现的，永动机不能……）喷一喷，衣服家具都再也不脏，没有了家务，家庭矛盾去无踪！真心的，不用干活儿了，大家都不累，何必吵架，嘿！

人类的幸福未来，说起来，就放在特殊浸润性研究上了！所以说，仿生材料学万！寿！无！疆！祝所有研究者长命百岁，实验顺利！谢谢阅读，祝好！