植物叶表面超疏水性研究进展

※农业科学2018, V ol.38, No.1729

农业与技术

润湿性是固体表面的重要特征之一，其影响因素主要包括表面化学组成（表面自由能）和表面微观结构（粗糙度）。表面润湿性的强弱通常用接触角来表征。超疏水表面在防腐蚀、防雨雪、抗氧化、自清洁功能、微流体系统等方面具有广阔的应用前景，因而引起人们极大关注。自然界中很多生物的体表（如昆虫的翅表面、植物的花瓣和叶片表面）表现出超疏水性，可用作特殊润湿性功能表面的仿生制备。

1 荷叶

荷叶的接触角高达161.0±2.5，具有超疏水性[1]。德国生物学家Barthlott等发现，荷叶表面粗糙的微米结构（乳突）及蜡状物质是导致自清洁效应的关键因素[2]。江雷课题组使用超高分辨率显微镜观察荷叶表面微观结构，发现微米级乳突（直径约5~9μm）上还存在一些纳米级结构（直径约200nm），即二级微纳米结构[3]。这种微纳二级粗糙结构上覆盖有机蜡质。双层的微纳米结构可以有效地阻止荷叶下层被润湿，有机蜡状物可以提供较低的表面能，二者的共同作用能够有效降低液体与固体之间的接触程度，改变三相接触线的长度、形状及连续性，从而使液滴在荷叶表面易于滚动，呈现特殊的复合浸润性。

2 花生叶

邱宇辰等研究发现，水滴在花生叶片表面呈球状，接触角为151.0±2.0，具有超疏水性[4]。在新鲜的花生叶表面上，丘陵状微米结构上面无规则排列着纳米薄片结构，形成微尺度下无序排列的空隙。花生叶表面微纳米多尺度结构显著增加了其表面的粗糙程度，表现出超疏水特性。

3 美人蕉叶

杨晓华对美人蕉叶表面进行超疏水测试，接触角大于160[5]。美人蕉叶表面均匀分布着30~100μm的四边形凸起。微米级结构表面及间隙密布纳米级片状结构。纳米结构为蜡质晶体，主要成分为富含C-H链的低表面能脂肪族化合物。微纳米级复合结构和蜡质层共同决定了美人蕉叶表面优异的超疏水性。Guo等研究发现，美人蕉叶表面为微纳米双层结构，从而将更多的空气滞留在水滴与叶表面之间，降低了表面能，使叶表面表现出良好的超疏水特性[6]。

4 霸王鞭叶和麒麟掌叶

霸王鞭叶和麒麟掌叶背面接触角分别为153和154，叶正面接触角分别为84和88[7]。霸王鞭叶和麒麟掌叶正面不疏水，背面超疏水。霸王鞭叶正面有微米级圆状或棱状凸起，叶背面有成簇的层片状凸起。麒麟掌叶表面具有与霸王鞭叶表面相似的微观结构，为不规则棱状和圆圈状凸起。2种叶的主要化学成分均为蜡质，进一步增强了叶表面的疏水性。

5 芦苇叶

根据冯晓娟等的研究结果，芦苇叶表面接触角为152.7°，具有良好的超疏水性[8]。芦苇叶表面有许

植物叶表面超疏水性研究进展

王万兴房岩＊蓝蓝纪丁琪关琳卢浩华郭宝琪孙刚

（长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032）

摘 要：超疏水表面因其广阔的应用前景而成为国内外研究热点。本文综述了植物叶表面的超疏水性，分析了引起超疏水性的主要原因（微观结构、化学组成等），对超疏水自清洁材料的研究趋势进行了展望，旨在为仿生多功能表面的设计和制备提供参考。

关键词：植物叶；超疏水；接触角；微观结构；仿生

中图分类号：S-03 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180931010

基金项目：国家自然科学基金面上项目（项目编号：31671010），吉林省自然科学基金项目（项目编号：20180101280JC），吉林省教育厅科技计划项目（项目编号：JJKH20181167KJ），长春师范大学研究生教育创新计划项目（项目编号：cscxy2017006/ cscxy2018044/cscxy2018007/cscxy2018009）

*为本文通讯作者

多周期性排列的沟槽结构，宽和高分别为3000μm和200μm。放大100倍时，可见叶表面均匀分布着柱状微凸体，宽为15~20μm，高为30~40μm。放大2000倍时，可见柱状微凸起表面具有无规则排列的纳米片层结构。微米级凸起与纳米级片层结构形成了微纳米复合结构，与低表面能物质（有机蜡状物）协同作用，使芦苇叶表面展现优异的超疏水性。

6 樱桃叶

樱桃叶表面具有特殊的复合浸润性，包括低黏附性、超疏水性、自清洁性等，接触角和滚动角分别为155.1和4.6。樱桃叶表面具有典型的微纳米多层次结构。叶表面密布网格和绒毛，形成一级结构。在电子扫描显微镜下，叶表面呈现微米级乳突，形成二级结构。进一步放大倍数，可见二级结构上具有很多大小不一、形态各异的粗糙单元（间距45~65μm，直径8~13μm），形成三级结构。这种多级微观结构构成叶表面特殊润湿性的结构基础。进一步研究表明，樱桃叶主要由糖类、脂类和蛋白质等天然疏水材料构成，构成叶表面特殊润湿性的化学基础。粗糙结构与化学组成之间的协同作用导致叶表面的复合浸润性[9]。

房岩课题组以樱桃叶为模板，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基质，采用软刻蚀法，制备了超疏水仿生膜，接触角可达150.3。仿生膜表面的接触角低于叶表面的接触角，是由于叶表面的多级粗糙结构无法完全复制到高分子膜表面，虽然一级结构和二级结构的分布与叶表面相同，但纳米结构只有80%~90%成功复制，从而在一定程度上降低了仿生膜表面的接触角[9]。在仿生材料制备领域，纳米级结构的复制仍是难点，如何使基质更加有效进入纳米级空隙是下一步的研究重点之一[10-13]。

7 水稻叶

水稻叶同时具有高接触角、低滚动角和各向异性。水滴在荷叶表面向各个方向滚动的机会相等，但在水稻叶表面滚动则具有明显的方向性，横向和垂向滚动角分别为3~5和9~15。这种各向异性是固体表面的一种重要特性，对疏水性、粘附性等具有显著的影响。通过扫描电子显微镜观察发现，水稻叶表面呈现微纳米复合等级结构，乳突平行于叶缘有序分布[14]。水稻叶表面三相接触线的各项异性决定了液滴滚动行为的各项异性。在不调整化学组成的前提下，可通过微乳突排列模式的重组，使液滴的滚动能力随着方向的不同而不同。这种微观结构可用于特殊微流管道的仿生设计[15]。

8 小结

植物叶表面的微米级粗糙形态构成一级结构。在一级微观结构上，分布着形态、大小不一的粗糙单元体，构成植物叶表面的二级微观结构。这种复合微观形貌为植物叶表面的超疏水性提供了结构基础。植物叶的化学成分（如蜡质、蛋白质、脂类等）为表面超疏水性提供了化学基础。化学组成与微观粗糙结构协同作用，使植物叶表面表现出良好的超疏水性。超双疏仿生材料涂在水面舰船、水下潜艇外壳，可以起到防腐、防污、防粘附的作用，同时降低航行阻力，减少燃料使用，加快行进速度。低粘附仿生材料用于微量注射器针尖，可避免昂贵药物的浪费及污染。超疏水仿生材料用于雷达、天线上，可以防积雪、抗尘埃，保证信号质量。超疏油仿生材料用于输油管道内壁，可有效防止石油粘附、沉积和堵塞，降低运输过程中的油品耗损。自清洁仿生材料用于纺织品，可使服装防水、防污、防渍、易于清洗[14]。

固体表面润湿性已成为化学、工程学、材料学、物理学、生物学、仿生学的热点研究课题。随着科学研究的不断深入，人们对于微观粗糙结构与表面润湿性之间的相互作用取得了更加深入的理解，对于生物表面特殊结构在仿生科学、工程设计、材料科学、生命科学中的作用获得了更为丰富的认识[15]。经过数十亿年的自然进化和系统演化，形态各异的生物体从结构、形态、行为、生理、机能等多种途径适应环境，实现自身生存和种族繁衍。生物体表作为仿生功能材料和特殊工程材料的设计模板，在航空航天、国防、工农业生产、生物医学工程、环境保护和日常生活中展现出广阔的应用前景。

参考文献

[1]郭志光,刘维民.仿生超疏水性表面的研究进展[J].化学进

展,2006,18(6):721-726.

[2]Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or

escape from contamination in biological surfaces[J].

Planta,1997,202(1):1-8.

[3]王女,赵勇,江雷.受生物启发的多尺度微/纳米结构材

料[J].高等学校化学学报,2011,32(3):421-428.

[4]邱宇辰,刘克松,江雷.花生叶表面的高黏附超疏水特性研

究及其仿生制备[J].中国科学:化学,2011,41(2):403-408.

[5]杨晓华.仿美人蕉叶表面制备(超)疏水材料[D].南昌:南

昌航空大学,2014.

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