神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍水滴待我如初恋.pdf

神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！ 神奇的超疏水材料： 我虐水滴千百遍， 水滴待我如初恋！ 一盆水泼向一块金属板，水珠像钢珠一样滚落，金属板仍然 干爽；一只船桨浸入水缸，拿出来竟然未带出一滴水珠，就 像是从没放进去过一样；一杯水倒在一块经过特殊处理的玻 璃板上，水紧紧靠在中央“不越雷池半步” ，即使用手搅出 来一两滴也立即跑回去……这些违背我们肉眼“常识”的现 象，就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面 自由能和表面粗糙度获得的新型材料，灵感来自于自然界中 的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果，如今已经 成为国际热门的研究领域，可以在环保、工业、医疗等各种 你想象不到的领域大展身手。一、超疏水简介超疏水技术是 一种具有特殊表面性质的新型技术， 具有防水、 防雾、 防雪、 防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要 特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的 应用前景。超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业 等的防腐防锈及防污也很有现实意义。特别是近年来的微电 子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展， 给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。超疏水材料的研究 以诗句“出淤泥而不染，灌清涟而不妖”为契机，以科学的 手段向我们解释这一奇特的自然现象，荷花表面覆盖的天然 超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，顺势流下，冲刷着荷叶表 面的淤泥，营造了出淤泥而不染的状态。因此荷叶在雨后会 变得一尘不染，这种现象在生活中很常见，我们称之为“荷 叶效应”。二、超疏水现象荷叶效应 --超疏水性原理为什么 “粗 糙”表面能产生超疏水性呢 ?对于一个疏水性的固体表面来 说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水 与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接 接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这 种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达 150 度以上， 并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏 的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清 洁”的能力。这种接触角大于 150 度的表面就被称为“超疏 水表面”。而一般疏水表面的接触角仅大于 90 度。三、自然 界中的超疏水现象 1999 年， Barthlott 和 Neihuis 认为：自清 洁的特征是由于粗糙表面上的微米结构的乳突以及表面蜡 状物的存在共通引起的；乳突的平均直径为 5~9um 。荷叶表 面的微 / 纳米复合结构 2002 年，江雷等提出微米结构下面还 存在纳米结构，二者相结合的阶层结构才是引起表面超疏水 的根本原因。单个乳突由平均直径为 120nm 结构分支组成。 超疏水各向异性的水稻叶子水稻叶表面存在滚动的各向异 性，水滴更容易沿着平行叶边缘的方向流动。超疏水的蝉翼 表面蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直 径大约在 80nm ，纳米柱的间距大约在 180nm，规则排列纳 米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱 导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。超疏水的水 黾腿水黾，通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构实现超疏 水和高表面张力。四、超疏水性的两个仿生原理莲花效应： “出淤泥而不染”是莲叶表面的一种特性，它不但拥有超疏 水的性质，还同时具备自洁的功能，这一切都源自于莲叶表 面的维纳双尺度结构。科学及根据这种特性来制造纳米超疏 水仿生材料。物体的表面不存在绝对的光滑，水滴会在表面 铺张开来浸润表面。莲叶表面有着很多纳米级的小触角，这 些触角之间的间隙小刀甚至不能容纳水滴，进而形成液体、 气体、固体的混合形式， “撑”起了水滴。事实上莲