編者按：中科院之聲與中國科學院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開設(shè)“科普硅立方”專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰(zhàn)勢壘，尋覓暗物質(zhì)，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

俗話說“常在河邊走，哪有不濕鞋”，可總有人“不信邪”，為了證明這句經(jīng)驗性話語存在反例，超疏水涂料閃亮登場。

超疏水涂料及其定義

表面疏水技術(shù)是一種具有較高實用價值的基礎(chǔ)技術(shù)，通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和物化特征的固體涂料賦予其新的附加功能，超疏水涂料正是在此基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)的。

疏水涂料在光滑表面上與靜態(tài)水接觸角大于90°，而超疏水涂料則是對應(yīng)固體涂膜的水接觸角大于150°的一種具有特殊表面性質(zhì)的涂料，其具有防水、防霧、自清潔等諸多功能，在生產(chǎn)生活中有極為廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 材料疏水性分類及對應(yīng)接觸角（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

自然界中的超疏水現(xiàn)象

超疏水材料的研究最初源于從自然界得到啟發(fā)而展開的仿生學工作�？茖W家觀察了大自然中各種美麗的花瓣、多彩的動物翅膀和擁有“水上漂”本領(lǐng)的各類水生動物，均發(fā)現(xiàn)類似的超疏水現(xiàn)象。以蝴蝶為例，它之所以能在雨中自由起舞而不怕被雨淋濕，得益于其超疏水特性的翅膀。研究者發(fā)現(xiàn)在蝴蝶翅膀的表面整齊排列著同方向的鱗片狀微結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。這一特殊的納米級別的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蝴蝶翅膀?qū)λ�滴具有發(fā)散性的排斥性質(zhì)，即允許其上面的水滴從某一個方向滾走，而在其他方向上則難以滾動。

圖2 自然界中的超疏水現(xiàn)象

超疏水涂料的制備

超疏水表面由于其適應(yīng)性特征而引起了越發(fā)廣泛的關(guān)注，超疏水性的實現(xiàn)離不開特定表面粗糙度的疏水表面，常見的低表面能疏水材料包括有機硅/氟材料、高分子熔體聚合物以及有機無機雜化材料等。在相關(guān)理論模型和仿生學研究的基礎(chǔ)上，近年來發(fā)展了多種制備超疏水涂層的方法，其中比較常用的包括模板法、刻蝕法、噴涂法、沉積法和溶膠凝膠法等。然而，關(guān)于耐久性和制造技術(shù)復(fù)雜的擔憂限制了其廣泛應(yīng)用。基于此，研究者開發(fā)了一種有效、耐用且用途廣泛的二氧化硅-有機硅納米復(fù)合材料，可以通過簡便、經(jīng)濟、可擴展的制造技術(shù)，采用表面噴涂或模塊合成工藝制備超疏水材料（如圖3所示）。

圖3 超疏水涂層的制備流程示意圖

超疏水涂料的功能

（1）自清潔。當超疏水涂層表面傾斜時，即使角度很小，水滴也很容易從其表面滾下并帶走污染物，從而實現(xiàn)自清潔和抗污特性（圖4）。以炭黑粉末模擬灰塵顆粒并均勻地散布超疏水涂層表面，當一系列水滴從噴嘴中釋放，略微傾斜則水滴帶起塵粒一同滾落，結(jié)果表面干凈如初（如圖4a所示）。

（2）防冰霧。由于超疏水基體的自身孔隙及其與水滴之間夾雜著空氣，水滴在超疏水涂層表面的粘附力極小，這使得水滴在其表面不易滯留，且對結(jié)冰起到了明顯的延緩作用，因而低溫條件下超疏水表面具有較好的除冰防霧性。

（3）油水分離。由于超疏水材料對于水與油具有完全相反的浸潤性，它可以吸收油水混合物中的油污并疏離水分，因而有望在油水分離領(lǐng)域大顯身手，例如海上溢油事故這些典型場景。如圖5所示，當組成為十六烷和水的油水混合物被傾倒在玻璃容器的濾膜之上時，對于經(jīng)超疏水處理的濾膜，油相順利濾過進入容器，而水相則阻隔于濾膜之上（圖5b）；相比之下，對于未經(jīng)處理的原始濾膜，油相和水相均順利透過進入容器（圖5c）。這一結(jié)果表明，經(jīng)超疏水涂料處理的濾膜可以實現(xiàn)油水混合物的簡易快速分離。此外，該體系在高溫、高濕、強酸/堿性和機械力等極端環(huán)境條件下依舊能保持穩(wěn)定的超疏水性和高分離效率。

圖4 經(jīng)超疏水修飾表面的自清潔效應(yīng)（a）和抗污效應(yīng)（b–d）

圖5 油水分離的操作示意圖（a）；覆蓋于容器上經(jīng)超疏水處理的濾膜（b）與原始濾膜（c）的實際分離效果對比

超疏水涂料的應(yīng)用

將超疏水涂料加工研制成超疏水噴霧劑，可以在皮革、紡織衣物等表面形成一種特殊涂層，不僅可以有效排斥水、油等普通液體，同時也能夠防止巧克力、奶昔等粘稠性液體的附著，從而保持物體表面的干燥與清潔。

圖6 超疏水涂料在生活中的應(yīng)用（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

超疏水涂料可以修飾在不同基體表面，實現(xiàn)疏水特性的改進，因而其研究十分熱門且具有現(xiàn)實意義。但目前材料的制備成本較高且工藝繁瑣，限制了超疏水涂料的大規(guī)模生產(chǎn)和實際應(yīng)用。關(guān)于超疏水涂料的未來發(fā)展趨勢，我們首先需要降低制造成本和簡化制備工藝，并拓展其在不同領(lǐng)域體系應(yīng)用的普適性。隨著相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，相信今后超疏水涂料會給我們的日常生活帶來極大便利，“不濕鞋”指日可待。

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來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所

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來源：中科院之聲