“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，相信很多人都对这句话记忆尤深，而荷花之所以能保持干净，离不开荷叶的庇护，仔细观察可以发现，荷叶的表面是洁净无比的，当水低落在叶面上时并不会润浸其中，而是圆圆的一颗滚来滚去，而“自清洁”和“不沾湿”这两种特性就被统称为荷叶效应。

荷叶为什么会有如此神奇的能力呢？

我们从微观视角一看便知，先将荷叶放大500倍观察，就会发现，它的表面并不像肉眼看到的光滑细腻，而是分布着一个个小的凸起——乳凸，它们的平均尺寸接近10微米平均间距在20微米左右，

再将一个乳凸放大观察，当显微镜的度数达到10000倍时，就能看到乳凸上面还密密麻麻地分布着细微的棒状蜡质晶体，它们的长度接近1微米，直径则在100纳米左右。也就是说，在荷叶表面存在着复杂的“微米—纳米”双重结构，也正是这种结构决定了荷叶的特殊性质。

我们可以将这些乳凸看作一个个隆起的“小山包”，它们之间的凹陷部分充满着空气，水滴的最小直径为1-2毫米，远大于乳凸的尺寸。所以当雨水落下时，隔着极薄的空气层，它仅能与“小山包”的顶端有些接触，而不能浸润到荷叶表面，又因为表面张力的作用，水滴就会保持球状体，并在滚动的过程中吸附灰尘，最终滚出叶面。

而在自然界中，不仅仅是荷叶，许多生物都拥有超疏水的能力，例如蝴蝶的翅膀，水黾的腿等等，将它们在显微镜下放大，都会观察到与荷叶相似的“微米—纳米”级结构。

超疏水性是什么？

超疏水性是指水滴和固体表面的接触角大于150°，且滚动角小于10°的一种润湿性。荷叶表面是超疏水表面的典型代表，雨水接触荷叶表面时会自由滚落，并将荷叶表面的灰尘带走，实现自清洁功能。不只是荷花上有，昆虫的足上也有比如水黾，蚊子都能在水上行走而不划破水面这就是因为其上面的超疏水材料。

超疏水表面

从 Web of Science 以超疏水为主题发表的论文数量显示, 超疏水领域依然是研究热点, 并且文章数量呈现递增趋势, 超疏水表面之所以能引起学术界如此大的兴趣，主要原因是其具有抗润湿、防结冰、耐腐蚀、减阻等性质，从而可在纺织业、建筑、军事、航空等领域具有广阔的应用前景。

超疏水涂层的制备方法

1. 刻蚀修饰法

刻蚀修饰法是最简单的实现人工超疏水表面的方法, 该方法通过化学湿法刻蚀、激光刻蚀、机械加工处理等方式构建微米/纳米级粗糙结构, 然后采用低表面能物质对刻蚀后的粗糙结构表面进行超疏水修饰。

2. 电化学法

电化学法是在外加恒定电流或恒定电压的情况下, 通过控制一定的工艺参数制备超疏水涂层的方法。

3. 物理、化学沉积法

早期研究者采用物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)， 为了实现大规模化、工艺简单、低成本、可操作性强的超疏水涂层, 基于溶胶–凝胶法的浸涂或刷涂的方式受到研究者广泛的关注, 为了进一步提高涂层与基体的结合力, 喷涂固化的方式得到更为广泛的应用。

超疏水涂层的应用

1.自清洁

由于水滴在超疏水表面的极不浸润性, 当水滴与超疏水表面接触时, 水滴在重力或轻微外力的作用下滚动滑落而离开表面, 因此, 超疏水表面的污染物或某些细菌随着水滴的滚动离开, 从而达到表面自清洁的目的。

2. 防覆冰

超疏水表面普遍存在小液滴弹跳现象, 其原因为遭到液滴撞击时的小液滴动能不易转变为超疏水表面内能, 超疏水涂层的表面张力较小。因此, 当低温环境下的超疏水表面出现弹跳现象时, 弹跳的液滴于结冰形核前离开超疏水表面, 从而减缓界面的过冷传输过程, 达到防覆冰的目的。

滑液注入式多孔界面(SLIPS)防冰

3.耐腐蚀

基于Cassie-Baxter模型的空气层理论及其微纳结构的毛细效应, 使得超疏水表面和腐蚀介质之间存在大量的空气层, 这些绝缘的空气层可阻止或抑制离子的迁移, 在金属基体与腐蚀介质之间形成阻隔屏障。

超疏水自修复耐蚀涂层

4.油水分离

油水分离主要采用超疏水/亲油性的分离膜和超亲水/疏油性的分离膜, 超疏水表面在油水分离中的应用主要通过重力或外力的驱动作用, 油穿过分离膜且水被拦截在分离膜表面, 从而达到油水分离的目的。

发展与展望

现阶段超疏水涂层趋向于多功能一体化发展, 除经常报道的应用性能外, 受光、电、磁等外部刺激而引起的智能响应涂层更受研究者关注。目前已有研究报道磁性超疏水涂层在磁场驱动下定向油水分离, 磁性隐身超疏水涂层拟应用于提高战斗机的机动性和突防能力, 同时超疏水阻燃纸的研究改变了人们的传统思维, 诸如此类超疏水研究成果将对未来的人类生活、工业发展和国防科技等领域带来巨大改变。

【参考文献】

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