荷叶效应引起的的超疏水表面研究

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。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1µm）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。荷叶表面粗糙的微观结构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。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。超疏水表面的柯西模型示意图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。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。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。超疏水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（Cookingoil）。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。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”及其工程应用示范推广（图12）。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。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。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）