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第三期:超疏水材料,出淤泥而不染

時(shí)間:2020-10-16        來源:

在中國古詩詞中,文人墨客常用珠璣妙語來形容一些神奇而美好的事物,比如:


“出淤泥而不染”“攀荷弄其珠,蕩漾不成圓”“葉上初陽干宿雨,水面清圓,一一風(fēng)荷舉”……講得是荷花的高潔姿態(tài)。


生活中,我們也常觀察到,雨滴打在荷葉上,猶如“大珠小珠落玉盤”。那么,荷葉究竟為何能夠有這種神奇的特性呢?


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01

大自然的神奇啟迪


人們很早就知道,水滴很難在荷葉表面停留,雨滴落下來,很快就會(huì)從荷葉表面滾落,并帶走荷葉表面的塵土和雜物,因此,荷葉總是能保持干凈整潔,做到“出淤泥而不染”。


其實(shí),除了荷葉,還有許多生物也具備這一神奇屬性:


水稻葉片也存在這種滾動(dòng)各向異性,當(dāng)水滴落在水稻葉片上時(shí),就會(huì)看到水滴從平行葉邊緣的方向流動(dòng)。


蟬翼雖薄,卻也不會(huì)被雨水浸濕,雨過天晴,蟬又能展翅高飛。


“趴”在水面上的水黽,用腿一蹬就能在水面劃出一道波痕……



這些大自然的神奇現(xiàn)象,困惑了人們很多年,直到1999年,Barthlott和Neihuis最早對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋:這種自清潔的特征,是由于粗糙表面上的微米結(jié)構(gòu)的乳突,以及表面蠟狀物的存在共通引起的,乳突的平均直徑為微米級(jí)。


也就是說,這些物體表面通常有微米級(jí)別的粗糙結(jié)構(gòu),并且存在蠟狀物質(zhì)。這二者使得具有較好的疏水性,使得荷葉能夠出淤泥而不染,表面大珠小珠落玉盤。


正是從這些現(xiàn)象中,科學(xué)家得到啟迪,發(fā)現(xiàn)了一種特殊的材料——疏水材料。


此后,人們對(duì)疏水材料逐步有了更多認(rèn)識(shí)。


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02

超疏水材料的基礎(chǔ)原理


怎么理解超疏水材料呢?


當(dāng)一滴水落在固體表面時(shí),會(huì)形成不同的形貌,與固體表面形成的角度θ稱為接觸角。


所謂接觸角,就是沿著氣、液、固三相交點(diǎn)處,畫一條氣-液界面的那條切線,這條切線與氣-固交界線之間的夾角θ。


接觸角的范圍在0°和180°之間。


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接觸角示意圖


對(duì)于一種材料,是親水或是疏水,可以依據(jù)接觸角的值來判斷。


當(dāng)接觸角的值≥90°時(shí),則定義為疏水,接觸角越大表面疏水性能越好。


超疏水是指接觸角大于150°的潤濕狀態(tài)。


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親水、疏水接觸角示意圖


03

超疏水材料的制備與應(yīng)用


上文中提到荷葉表面超疏水性能,是由于有微米級(jí)別的粗糙結(jié)構(gòu)(物理結(jié)構(gòu))和一些蠟質(zhì)狀物質(zhì)(化學(xué)物質(zhì))同時(shí)作用。


制備仿生超疏水表面也是基于這兩種方法:1、創(chuàng)造粗糙的結(jié)構(gòu) 2、增加一些化學(xué)材料


早期的方法,主要是一些化學(xué)方法,當(dāng)然科學(xué)家并不是采用“蠟質(zhì)”材料,而是選擇了效果更好的含“氟”物質(zhì),在所需的表面形成“氟”涂層。


到后期,很多微觀表面處理技術(shù)得到發(fā)展,科學(xué)家開始主動(dòng)制造粗糙結(jié)構(gòu),自然界荷葉表面的粗糙結(jié)構(gòu)都是微米級(jí)別,而現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)制造更小的(納米級(jí)別)粗糙結(jié)構(gòu)。


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由于超疏水材料的特性,能夠?qū)崿F(xiàn)“滴水不沾”,具備防水、防冰、防霧、自清潔的特性,因此其運(yùn)用范圍也很廣,從航空航天領(lǐng)域,到日常生活,都能看到超疏水材料的身影。


比如在飛行器表面,使用超疏水涂層,就能防止水滴殘留,從而不會(huì)形成大面積結(jié)冰,保障飛行性能,避免空難發(fā)生。


在日常生活中,使用超疏水材料做成的戶外服,下雨也不會(huì)淋濕,能夠?qū)崿F(xiàn)“自清潔”。使用了超疏水涂層的酸奶蓋,可以讓你避免“舔蓋”的尷尬。


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古詩詞里,有“出淤泥而不染”的美好品質(zhì);


中國功夫里,有“輕功水上漂”的武功絕技;


而在科學(xué)的世界里,有超疏水材料,演繹著“我虐水滴千百遍,水滴待我如初戀”的神奇故事。


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參考文獻(xiàn):

[1]Barthlott,Neinhuis.Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces。Planta 1997, 202 (1), 1-8

[2]劉成寶,李敏佳,劉曉杰,陳志剛.超疏水材料的研究進(jìn)展[J]。蘇州科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,35(04)

[3]王奔,念敬妍, 鐵璐.穩(wěn)定超疏水性表面的理論進(jìn)展[J]。物理學(xué)報(bào),2013,62 (14) :1-15


原創(chuàng):吳金娥  校稿:劉格


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