制备超疏水表面常用的方法
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Bionic super-hydrophobic self-cleaning material
性名：虞波 学号：1109058 导师：蔡再生
Contents
1
前言
2 自然界中疏水自清洁现象 3 制备超疏水表面常用的方法
4 超疏水超亲水转变的研究
5 存在问题发展趋势及应用前景
前言
❖ 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的。
植物表面的疏水自清洁性研究
Liu研究组通过FE－SEM（原子力显微镜）对美人蕉叶进行了微观结构的分析，发现一些微 米级的凸体很随意的分布在其表面上，进一步的放大照片显示这些微米级凸体也是由一些 次微米级的棒状材料构成，这些棒状材料的直径大约为200－400nm，在表面上形成二元复 合结构，有利于对空气的包裹，从而赋予了表面超疏水性能。 水滴在其表面的静态接触角为165士2°，滑动角小于5°，表现出很小的接触角滞后。
❖ 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 (superhydrophilic)或者超亲油(superoleophilic)表面。
❖ 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 (supethydrophobie)或者超疏油(superoleophobie)表面。
自然界中疏水自清洁现象
•对超疏水现象最原始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。
•超疏水表面是大自然中一种极为常见的现象，例如荷叶表面 就具有很强的疏水性和自洁净功能，蝴蝶翅膀、水黾脚、水 鸟羽毛都具有超强的疏水性，使蝴蝶可以自由飞行，水黾可 以在水面滑行而不至于沉没，水鸟的羽毛可以不沾水，当有 污染物落到其表面上时它们能够很轻易地达到自清洁效果， 而要清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力。
动物表面的疏水自清洁性研究
蚊子的眼睛具有优异的超疏水及防雾性能，可以使其在潮湿的环境中保持清晰的视觉。 这种双重特性是由于微米乳突及其上六角形紧密排列的纳米结构产生的。通过模拟蚊子 复眼的这种结构，研究者利用软刻蚀的方法得到人造复眼。
制备超疏水表面常用的பைடு நூலகம்法
❖ Barthlott和Neinhuis两位学者对“荷叶效应”最早进行了 报道，由此引发了人们对超疏水材料研究的兴趣。
如果ITO表面不用层层组装的方法修饰聚电解 质多层膜而直接在ITO玻璃表面进行电化学沉 积，那么只能得到平整的金膜。平整金膜经疏 水处理后，表面接触角只有95°，达不到超疏 水。
吉林大学孙俊奇教授的研究小组也报道 了一种利用层层组装技术将粒径为220 纳米的二氧化硅小球生长到粒径为600 纳米二氧化硅小球上的方法，整个体系 为呈树莓状的二元纳微分级结构。这些 树莓状的小球经过疏水试剂接枝后，接 触角达到了157°，滚动角小于5°。
动物表面的疏水自清洁性研究
蝉和蝴蝶可以很容易的通过去除翅膀表面的灰尘颗粒或者水滴，水雾来保持自 身的不受污染，并且可以使得它们的翅膀在雨中保持不被雨滴润湿，从而提供 了它们在雨中飞行的可能。这些性质同样来自于其翅膀表面独特的微观结构。 蝉翼表面由直径大约在70nm的纳米柱定向排列而成。这些纳米柱的间距大约为 90nm。同样，也正是翅膀表面这种独特的结果赋予了它们超疏水性能和自洁净 的功能。
植物表面的疏水自清洁性研究
1998年，Barthlott对荷叶的自清洁行为进行描述 之后，“易清洁”、“抗污染”、“自清洁”和 “荷叶效应”等提法在生物表面研究中引起广泛关 注，各国把研究重点转向了生物的自清洁性研究。
荷叶表面上具有不易被水沾湿的微米结构的乳 突，在每个乳突表面上还存在由表面蜡质晶体形成 的纳米结构，在乳突间的凹陷部分充满着空气，在 紧贴叶面形成一层极薄的只有纳米级厚的空气层， 相当于有一层稳定的气体薄膜，阻止水滴或其他液 体渗入荷叶表面，并防止微细污染物吸附在表面从 而使荷叶表面具有有效的反粘附性能，污染物、水 珠等不容易粘附在其表面上，荷叶的这种表面自洁 效应称之为“荷叶效应”。
动物表面的疏水自清洁性研究
水黾腿部表面油脂是疏水的，它所提供的表面张力非常小， 仅可以支撑水黾静静地站立在水面上，不足以支持昆虫在 水面上快速奔跑。通过高分辨的场发射电子扫描显微镜观 察，发现水黾腿上覆盖有无数取向的针形的细小钢毛，钢 毛长为50μm，直径从根部的1~3μm渐变至尖部的几百 nm。在每个钢毛的表面还有更加精细的螺旋纳米尺度的沟 槽结构。正是这种特殊的微/纳米结构，使得空气能够被有 效地吸附在这些微米钢毛和纳米沟槽的缝隙内，在其表面 形成一层稳定的气膜，从而阻碍了水滴的浸润，宏观上表 现出水黾腿的超疏水特性，水黾是利用其腿部特殊分级微/ 纳米结构效应实现了超疏水性能。一条腿在水面的最大支 持力达到其身体总重量的15倍。正是水黾在水面上的这种 超强的负载能力，允许它毫不费力地站在水面上，并能快 速地奔跑和跳跃。
原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制 备手段有：层层组装法、溶液浸泡法、电化学方法、模板 法和气相沉积法等。
层层组装法(Layer-by-Layer method)
清华大学张希教授领导的研究小组最早利用层 层组装的方法在ITO玻璃（ITO导电玻璃是在 钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控 溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜 加工制作成的。）表面修饰聚电解质多层膜， 然后利用电化学的方法在上面沉积得到金纳米 簇。这种呈树枝状的金纳米簇表面被修饰上疏 水试剂后，展现超疏水的性质，接触角为 156°，滚动角小于5°。
❖ 此后经过进一步的深入研究，人们发现材料表面的超疏水 性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。 北京化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一 概念。
❖ 根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得： ❖ (1)在材料的表面构筑粗糙结构； ❖ (2)在粗糙表面上接枝低表面能的试剂。基于这两条基本
性名：虞波 学号：1109058 导师：蔡再生
Contents
1
前言
2 自然界中疏水自清洁现象 3 制备超疏水表面常用的方法
4 超疏水超亲水转变的研究
5 存在问题发展趋势及应用前景
前言
❖ 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的。
植物表面的疏水自清洁性研究
Liu研究组通过FE－SEM（原子力显微镜）对美人蕉叶进行了微观结构的分析，发现一些微 米级的凸体很随意的分布在其表面上，进一步的放大照片显示这些微米级凸体也是由一些 次微米级的棒状材料构成，这些棒状材料的直径大约为200－400nm，在表面上形成二元复 合结构，有利于对空气的包裹，从而赋予了表面超疏水性能。 水滴在其表面的静态接触角为165士2°，滑动角小于5°，表现出很小的接触角滞后。
❖ 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 (superhydrophilic)或者超亲油(superoleophilic)表面。
❖ 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 (supethydrophobie)或者超疏油(superoleophobie)表面。
自然界中疏水自清洁现象
•对超疏水现象最原始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。
•超疏水表面是大自然中一种极为常见的现象，例如荷叶表面 就具有很强的疏水性和自洁净功能，蝴蝶翅膀、水黾脚、水 鸟羽毛都具有超强的疏水性，使蝴蝶可以自由飞行，水黾可 以在水面滑行而不至于沉没，水鸟的羽毛可以不沾水，当有 污染物落到其表面上时它们能够很轻易地达到自清洁效果， 而要清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力。
动物表面的疏水自清洁性研究
蚊子的眼睛具有优异的超疏水及防雾性能，可以使其在潮湿的环境中保持清晰的视觉。 这种双重特性是由于微米乳突及其上六角形紧密排列的纳米结构产生的。通过模拟蚊子 复眼的这种结构，研究者利用软刻蚀的方法得到人造复眼。
制备超疏水表面常用的பைடு நூலகம்法
❖ Barthlott和Neinhuis两位学者对“荷叶效应”最早进行了 报道，由此引发了人们对超疏水材料研究的兴趣。
如果ITO表面不用层层组装的方法修饰聚电解 质多层膜而直接在ITO玻璃表面进行电化学沉 积，那么只能得到平整的金膜。平整金膜经疏 水处理后，表面接触角只有95°，达不到超疏 水。
吉林大学孙俊奇教授的研究小组也报道 了一种利用层层组装技术将粒径为220 纳米的二氧化硅小球生长到粒径为600 纳米二氧化硅小球上的方法，整个体系 为呈树莓状的二元纳微分级结构。这些 树莓状的小球经过疏水试剂接枝后，接 触角达到了157°，滚动角小于5°。
动物表面的疏水自清洁性研究
蝉和蝴蝶可以很容易的通过去除翅膀表面的灰尘颗粒或者水滴，水雾来保持自 身的不受污染，并且可以使得它们的翅膀在雨中保持不被雨滴润湿，从而提供 了它们在雨中飞行的可能。这些性质同样来自于其翅膀表面独特的微观结构。 蝉翼表面由直径大约在70nm的纳米柱定向排列而成。这些纳米柱的间距大约为 90nm。同样，也正是翅膀表面这种独特的结果赋予了它们超疏水性能和自洁净 的功能。
植物表面的疏水自清洁性研究
1998年，Barthlott对荷叶的自清洁行为进行描述 之后，“易清洁”、“抗污染”、“自清洁”和 “荷叶效应”等提法在生物表面研究中引起广泛关 注，各国把研究重点转向了生物的自清洁性研究。
荷叶表面上具有不易被水沾湿的微米结构的乳 突，在每个乳突表面上还存在由表面蜡质晶体形成 的纳米结构，在乳突间的凹陷部分充满着空气，在 紧贴叶面形成一层极薄的只有纳米级厚的空气层， 相当于有一层稳定的气体薄膜，阻止水滴或其他液 体渗入荷叶表面，并防止微细污染物吸附在表面从 而使荷叶表面具有有效的反粘附性能，污染物、水 珠等不容易粘附在其表面上，荷叶的这种表面自洁 效应称之为“荷叶效应”。
动物表面的疏水自清洁性研究
水黾腿部表面油脂是疏水的，它所提供的表面张力非常小， 仅可以支撑水黾静静地站立在水面上，不足以支持昆虫在 水面上快速奔跑。通过高分辨的场发射电子扫描显微镜观 察，发现水黾腿上覆盖有无数取向的针形的细小钢毛，钢 毛长为50μm，直径从根部的1~3μm渐变至尖部的几百 nm。在每个钢毛的表面还有更加精细的螺旋纳米尺度的沟 槽结构。正是这种特殊的微/纳米结构，使得空气能够被有 效地吸附在这些微米钢毛和纳米沟槽的缝隙内，在其表面 形成一层稳定的气膜，从而阻碍了水滴的浸润，宏观上表 现出水黾腿的超疏水特性，水黾是利用其腿部特殊分级微/ 纳米结构效应实现了超疏水性能。一条腿在水面的最大支 持力达到其身体总重量的15倍。正是水黾在水面上的这种 超强的负载能力，允许它毫不费力地站在水面上，并能快 速地奔跑和跳跃。
原则，许多方法被用来构建超疏水表面，其中最常用的制 备手段有：层层组装法、溶液浸泡法、电化学方法、模板 法和气相沉积法等。
层层组装法(Layer-by-Layer method)
清华大学张希教授领导的研究小组最早利用层 层组装的方法在ITO玻璃（ITO导电玻璃是在 钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控 溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜 加工制作成的。）表面修饰聚电解质多层膜， 然后利用电化学的方法在上面沉积得到金纳米 簇。这种呈树枝状的金纳米簇表面被修饰上疏 水试剂后，展现超疏水的性质，接触角为 156°，滚动角小于5°。
❖ 此后经过进一步的深入研究，人们发现材料表面的超疏水 性质是材料表面的化学组成及表面结构共同作用的结果。 北京化学所的江雷教授首次提出了“二元协同作用”这一 概念。
❖ 根据这一概念，超疏水表面通常需要经由两步获得： ❖ (1)在材料的表面构筑粗糙结构； ❖ (2)在粗糙表面上接枝低表面能的试剂。基于这两条基本