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超疏水材料潛力巨大，

文章來源：賢集網更新時間：2022-11-10 15:27:24

大自然的鬼斧神工，常常創作出令人嘆服的事物，給我們帶來美好熏陶的同時，也給我們帶來啟迪和感悟。古人面對“出淤泥而不染”的荷葉時，一邊贊嘆著它高潔的君子形象，一邊思索著背后的道理。

早期超疏水材料的設計便是對這些現象的關注與探索。荷葉表面難以被潤濕而表現出的超疏水特性是其表面的微米級乳突和具有低表面能的蠟狀物質共同決定的。

圖1 荷葉表面的疏水現象及微納結構

那么，超疏水材料到底是一類什么樣的材料？關于超疏水材料的最新研究有啥？超疏水材料的應用有哪些？

1、超疏水材料的概念

超疏水材料是一類對水極端排斥的材料，通常由特殊的表面微納粗糙結構和低表面能化學物質構成，水滴在其上無法滑動鋪展而保持球型滾動狀，從而達到滾動自清潔的效果。超疏水材料的決定性因素是表面的微納粗糙結構，超疏水材料獨特的固-液界面性質，使其在表面自清潔、生物防污、腐蝕防護、抗結冰、流體減阻、熱傳遞等領域展現出巨大的應用潛力。

接觸角大于150°、滾動角小于10°是超疏水材料表面的典型特征。又根據超疏水狀態下液滴與表面黏附力的不同，將超疏水材料的形態分為五種，分別是：

Wenzel態、Cassie態、“荷葉態”、Wenzel－Cassie態和“壁虎態”。

這五種形態中水滴與表面的黏附力極小，且滾動角α＜10°的“荷葉態”是目前研究最為廣泛的一種超疏水材料的狀態。顯微鏡下荷葉的表面并不像它表現的那樣光滑，它上面布滿著密密麻麻的突狀結構，突狀結構之間充斥著空氣，形成了一層極薄的空氣膜，再加上荷葉自身分泌的植物蠟質，共同造就了荷葉的疏水和自清潔效應。

圖2 接觸角和滾動角示意圖

近日, 加拿大西安大略大學教授楊軍課題組、中科院化學研究所宋延林團隊、青島大學副教授趙勝東等合作，發現了荷葉等自然界中超疏水結構可以增強水氣間聲波透射的新效應。該效應可作為“聲窗”增強水上水下聲音通信，在水聲學、通信工程、海洋生物學等研究領域具有重要意義。相關研究已在Research、《ACS應用材料與界面》等期刊發表。

這項新研究具體來說是怎么樣的？對理解超疏水材料有什么意義？

2、跨越“水氣屏障”

隨著人類對海洋資源的開發利用，水上和水下通信變得十分重要。

在空氣中，電磁波和聲波都可作為載體來傳播信息。但由于電磁波在水中衰減很快，水中通信一般只能依靠聲波進行，因此，聲波成為潛在的海洋、大氣和陸地間直接信息交流的工具。

“當聲波遇到水面時，會在水氣界面遇到‘水氣屏障’。”宋延林告訴《中國科學報》，“聲波穿過水氣界面時能量損失巨大，只有約0.1%的能量能透射過去，其中絕大部分都反射掉了。”

例如，對于一個頻率為500赫茲的聲波平面波，其每公里被海水吸收約0.025分貝, 而聲波穿越水氣界面的損失約30分貝，相當于聲波在海洋中傳播1200公里距離海水吸收所造成的損失。因此，水氣界面是聲波傳輸中難以逾越的屏障。此外，水氣間的聲波傳輸還面臨不穩定、聲學超材料工作頻率低于聲吶工作頻率、聲吶工作頻率的寬角度透射問題還未解決等諸多挑戰。

近年來，研究人員利用疏水或超疏水特性，在水中捕獲陣列化的氣泡結構，研究其聲學性質，并實現了多種聲學應用，發展出“超疏水聲學”。比如，受超疏水結構啟發創建的氣泡陣列，用于聲學反射超表面來增強水下聲波反射，以及利用疏水結構或者荷葉等在水面附近處捕獲氣泡層，創建聲學透射超表面，其可作為“聲窗”增強水下和水上的聲波通信。

3、構建“聲窗”

在一個30厘米見方的透明水槽中，漂浮著工作人員精心設計的3D打印疏水結構。

實驗裝置剛啟動，“嗡嗡”的蜂鳴聲立即“刺進”耳膜。工作人員伸出雙手，將這種疏水結構緩緩抬起，隨即慢慢放下。一起一落間，那“嗡嗡”聲似乎從我們面前去了遙不可及的遠處，未及我們作出反應，它又倏而返回。

“在實驗中，我們還驗證了荷葉等超疏水結構的‘荷葉透聲效應’。”該論文第一作者、加拿大西安大略大學博士后黃占東告訴《中國科學報》，“聲波通過這種超表面時，透過率可增強20分貝以上，這種超表面好似在水面處為聲波傳輸打開了一個‘窗戶’。”

雖然“荷葉效應”已經被發現了100多年，然而，其超疏水效應產生的聲學效應卻很少被報道。

最初的實驗中，研究人員直接把荷葉倒扣在水面上，來驗證荷葉表面的聲學透射性。由于荷葉具有超疏水性，在荷葉表面和水層之間會產生一個極薄的空氣層，激光共聚焦測量顯示，此空氣層的厚度大概為20微米。

“這樣在水面就形成了一個以空氣層為彈簧、以荷葉自身質量為振子的彈簧振子系統，此彈簧振子的共振頻率處，水氣間的聲波透射可以得到數百倍的增強。”黃占東說，“需要注意的是，只有荷葉倒扣在水面上才會有這樣的效果，正常生長的荷葉沒有這樣的效應。”

研究人員分析了荷葉結構的振動模態，發現其為荷葉自身振動模態和彈簧振子系統振動模態的疊加。但在荷葉本征頻率附近，并不具有聲波透射增強效果，因而其透射曲線上會有很多斷點。

通過推導和分析，研究人員解釋了這一現象，并通過模擬證明，用增大荷葉模量的方法消除了這些斷點。這證明了荷葉等超疏水結構漂浮在水面上時，形成的微米級的氣層可用于水氣聲波透射，能夠克服目前水氣界面聲波傳輸的難題。

4、鎖定超疏水鋁片

“荷葉具有季節依賴性、結構脆弱性、物理參數難以調控等弱點。”中科院化學研究所博士生趙志鵬告訴《中國科學報》，“而且，其自身本征振動會對增強效果產生不良影響，因此尋找替代性人工材料具有重要的實用價值。”

通過多種超疏水材料比對，研究人員將荷葉替代材料鎖定在超疏水鋁片上。首先，鋁的彈性模量（材料受力狀態下應力與應變之比）比荷葉大5個數量級以上，可以忽略自身振動模態對透射效果的影響。其次，鋁片的可加工性很強，可以靈活地改變自身質量和表面疏水微結構，從而靈活調控工作頻率。

研究人員分別用激光刻蝕、濕法刻蝕和噴涂法制備了不同的超疏水結構，展示了其在不同頻率下的增透效果。實驗表明，當他們制備的超疏水結構正面朝下時，可捕獲氣層形成超表面，其超疏水效應可“將原來被反射掉聲波的透射率提高400倍以上”。

“制作這種超疏水鋁片工藝簡單，成本也很低，我們印刷版材有類似的工藝。”宋延林說：“而且，此超表面允許聲波從水中以不同角度向空氣中入射（寬角度透射），這在應用上，能真正實現水下和地面信息的方便互聯。”

研究者認為，這種超表面在水聲學、通信工程、海洋生物學等研究領域具有重要應用前景。未來該超表面可以用于機載聲音傳感器系統對水下物體進行檢測和成像，有望實現在空氣中對水下物體如魚群等成像和監控，以及水下機器人的遠程操作等。此外，該超表面還可在空中搜索海底的黑匣子、監測黑匣子發出的信號等。

5、超疏水材料的應用

古人們就有了利用超疏水材料的意識。油紙傘就是這種材料應用的初步探索。相傳在春秋戰國末年，最開始的雨具是由魯班為妻子避雨而發明的工具。他將竹子劈成細條，編制成了最開始的傘架；傘面還不是輕巧的宣紙，而是動物的皮草。

后來，隨著紙張的發展，人們就想到了在傘面上鋪就浸透天然桐油的宣紙，一來減輕了傘本身的重量，二來也達到了較好的疏水效果。在油紙傘的制作過程中，至關重要的一步工藝便是刷桐油。生桐油是不能直接刷涂的，因此熬制熟桐油是第一道工序。桐油熬好后，就要用棉布沾滿桐油涂刷在傘的陰陽兩面上，重復三次。

自然晾干后，還需再涂一遍桐油，這樣才能保證油紙傘在雨中表現出較好的疏水性能，不被浸壞。

圖4 雨中的油紙傘

油紙傘盛行在水光瀲滟的江南，“文化、歷史、懷舊”這些附著在油紙傘上美好而典雅的標簽，帶著濃郁的“古老華夏民族”的符號意義。現在的油紙傘，以其精美的圖案，復古的造型，承載著古人精湛的工藝，勾連著人們懷舊的情愫。

超疏水材料在現在也占據著廣闊的應用領域。

（1）醫用方面

超疏水材料的顯著特征是不潤濕，不濕潤就意味著降低了細菌接觸的可能，從而使這類材料表現出抗菌和自清潔性能。醫學上抓住了這個新的思路，抑制了細菌的繁殖，防止了傷口的感染和潰爛。江雷院士就是利用超疏水粗糙表面間隙留存的空氣，迫使肽聚糖和底物之間的接觸區域變到最小，基于這些空氣層來抑制和減小細菌等的黏附，從而抑制生物膜的形成，降低感染的可能性。

（2）日用方面

雨過天晴后，荷葉表面光潔如新，這是由于超疏水材料具有的自清潔性能。利用這一性能，葉向東等人在建筑墻體的防護上用到了超疏水材料。運用了超疏水材料的墻面相較于普通墻面更干凈，減少了人工打掃的成本。

這是因為覆蓋了超疏水表面的墻體上，附著在上面的顆粒及液體污染物容易通過水流的作用被帶走。在紡織品上應用超疏水材料，也可以表現出不粘附、自清潔的性能。

即使醬油滴在衣服上也不會留下污漬，這樣具有優良性能的紡織物可以滿足人們日常生活的多方需求。戶外玻璃，太陽能電板以及高層建筑的外墻都應用了超疏水材料的這一性能。

圖5 疏水玻璃

（3）在軍用方面

軍用武器裝備的超疏水材料應具備更多優良的性能以面對更苛刻的外部環境，比如耐磨、防霧等綜合防護能力。2017年4月，密歇根大學受多方資助，合力研制出一種高耐磨性超疏水涂料。該涂料由氟化多面體低聚倍半硅氧烷（F-POSS）低表面能材料和氟化聚氨酯高彈體（FPU）粘合劑混溶制成的。

在防霧方面，超疏水材料以多尺度的表面結構，抑制了潮濕環境中的霧氣凝結，從而達到有效保護光學器件等重要設備的目的。

圖6 應用了疏水材料的武器

從亭亭凈植的荷葉，到撐著油紙傘的姑娘，再到我們生活中隨處可見的現象。超疏水材料的應用貫通古今，包羅萬象，呈現出蓬勃的生命力。

與此同時，我們也要關注到超疏水材料面臨著的許多難題，而對于科研工作者來說，環境友好型、成本低廉，工藝簡單的超疏水材料的研發又是重中之重。

相信在未來將開啟超疏水材料的新紀元。

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