【趣味科普】第三期：超疏水材料，出淤泥而不染
時間：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，一一風荷舉”……講得是荷花的高潔姿態。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？
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，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各向異性，當水滴落在水稻葉片上時，就會看到水滴從平行葉邊緣的方向流動。
蟬翼雖薄，卻也不會被雨水浸濕，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象，困惑了人們很多年，直到1999年，Barthlott和Neihuis最早對這一現象進行了解釋：這種自清潔的特征，是由于粗糙表面上的微米結構的乳突，以及表面蠟狀物的存在共通引起的，乳突的平均直徑為5~9um。也就是說，這些物體表面通常有微米級別的粗糙結構，并且存在蠟狀物質。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。
正是從這些現象中，科學家得到啟迪，發現了一種特殊的材料——疏水材料。
此后，人們對疏水材料逐步有了更多認識。
怎么理解超疏水材料呢？當一滴水落在固體表面時，會形成不同的形貌，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、固三相交點處，畫一條氣-液界面的那條切線，這條切線與交界線之間的夾角θ。
接觸角的范圍在0°和180°之間。
接觸角示意圖
親水、疏水接觸角示意圖
早期的方法，主要是一些化學方法，當然科學家并不是采用“蠟質”材料，而是選擇了效果更好的含“氟”物質，在所需的表面形成“氟”涂層。
到后期，很多微觀表面處理技術得到發展，科學家開始主動制造粗糙結構，自然界荷葉表面的粗糙結構都是微米級別，而現在的技術已經能實現制造更小的（納米級別）粗糙結構。
由于超疏水材料的特性，能夠實現“滴水不沾”，具備防水、防冰、防霧、自清潔的特性，因此其運用范圍也很廣，從航空航天領域，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，從而不會形成大面積結冰，保障飛行性能，避免空難發生。
在日常生活中，使用超疏水材料做成的戶外服，下雨也不會淋濕，能夠實現“自清潔”。使用了超疏水涂層的酸奶蓋，可以讓你“舔蓋”的尷尬。
古詩詞里，有“出淤泥而不染”的美好品質；中國功夫里，有“輕功水上漂”的武功絕技；
而在科學的世界里，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。
參考文獻：[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展[J]。蘇州科技大學學報(自然科學版),2018,35(04)
[3]王奔,念敬妍, 鐵璐.穩定超疏水性表面的理論進展[J]。物理學報,2013,62 (14) :1-15
