向大自然学习-自然界中的超疏水微结构

向大自然学习-自然界中的超疏水微结构
固体表面对于液体的润湿性，又称浸润性，是固体一个非常重要的性质。

它在工业、农业以及日常生活中发挥着非常重要地作用，自然界中植物根部对水的吸收，建筑物玻璃外墙上的水渍和眼镜上的水雾等，都与其表面润湿性能有关，润湿性能的应用极为广泛，包括微电子工业、印刷工业、造纸工业、交通行业乃至新材料应用、新型防水服装面料等方面无不与润湿性能有着密切的关系。

从科学研究的角度来讲，对润湿问题的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重大的实际应用价值。

对于固体来说，当液滴接触其表面时，液滴会保持它部分的形状或者在固体表面铺展开来，从而形成一层薄的液膜，这一性质通常是通过测量接触角来描述。

当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角接近0°时，这样的固体表面分别被称作为超亲水或者超亲油表面，而当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角大于150°时，这样的固体表面分别被称作为超疏水或者超疏油表面。

作为固体表面润湿性的一个极端特例，超疏水/油性或者超疏水/油材料由于其在防水、防腐蚀、自净、减阻降噪、光电材料、绿色印刷等方面有极其广阔的应用前景，因此，近年来一直受到材料科学研究者的广泛关注和极大兴趣。

笔者因为探索绿色印刷工艺技术，在最近的几年里更是深入其中，尤为对大自然中的动植物物具备的超疏水现象及其背后的科学原理惊叹不已，神奇的大自然为功能性印版超疏材料的研发提供了许多重要的信息。

人们对超疏水现象最简单的认识起源于对自然界中一些植物茎、叶表面以及一些动物羽毛表面的疏水和自洁净现象。

地球上的生物经过了亿万年的繁衍，在这一过程中通过不断的进化、演化和优化，其结构和功能为了适应环境而不断地发生着改进。

许多生物体为了适应其生存环境，表层已逐渐形成各种规则的粗糙结构，这种结构具有疏水、自洁脱附、减阻、抗磨、防雪、防雾和抗氧化等功能，除此之外，有些生物体表面还具有隐形、拟态、降噪和稳定等功能。

随着材料科学，纳米技术以及现代的分析测试技术的不断发展，对生物粗糙表面的研究吸引了越来越多的材料研究者的注意。

材料研究者发现自然界许多动物身体和植物叶片具有防水性能和自洁净性能，当污染物勃附其表面上，它们很容易达到自清洁目的，但是想要清洗同等面积的人工表面，却要耗上不少的人力和物力。

“荷叶效应”是大自然中最经典的超疏水自洁现象。

早在中国的古代，荷叶所具有的“出淤泥而不染”的特性就己经作为一种高尚品德的象征而被文人广为赞颂。

荷叶在雨后显得非常的清新和洁净，这是因为落在叶面卜的雨滴会自动聚集成水珠，水珠的滚动可以使叶片表面上的尘土污泥等污染物粘附在水珠上滚出叶面，从而清除掉了叶片上所吸附的污染物，使得荷叶能够保持洁净。

这种自洁净功能归因于荷叶粗糙表面微米和纳米量级的复合阶层凸起结构以及其表面的蜡状物质共同作用产生了超疏水现象。

荷叶表面的微结构
除此以外，还有众多生物的表面具有超疏水能力。

江湖上人称“铁腿水上漂”的水黾（音mian）虽然自身重量很小，但它能浮于水面上主要还是靠它腿部的超疏水结构。

水黾每只腿可以在水面上产生152dyn的表面张力，相当于自身体重15倍的支撑力。

如图显示了它的腿是无数定向排列着的直径为微米级的针状刚毛，并且刚毛上还有螺旋状的纳米级沟槽结构。

吸附在刚毛沟槽中的空气形成了气垫，从而让水黾能够在水面上轻巧自由地穿梭滑行。

超疏水的水黾腿
壁虎的脚趾头也具有迷人的层次结构。

微观观察可以看到，其脚趾由成千上万像丝绸一样的“鳞片”和每一片“丝绸”包含的几百个像铲子一样的细微结构组成，这样的结构使得壁虎脚掌异常粗糙，能在墙壁上随意爬行。

壁虎脚趾头的微观结构
蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，直径约为80纳米，纳米柱的间距约180纳米。

规则排列的纳米突起构建起了粗糙度，使蝉翼表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了超疏
水的性质，从而确保了自清洁功能。

蝉翼表面的超疏水结构
综上，研究自然界中这些动植物所具有的超疏水现象的原理及其结构，是达到可以制备人工的超疏水/油表面的前提与基础。

考察自然界中超疏水性表面的微观结构，通过现代精密的检测分析手段，研究自然界中生物体所具有的超疏水表面的化学成分和表面形貌，总结出“仿生”的必要条件和可能途径，可以为新型绿色印刷印版超疏功能性材料研发提供现实基础和理论依据。