什么是超疏水材料?

超疏水材料是对水具有排斥力的材料,并且水滴不能在其表面上滑动地散布以保持球形,从而获得滚动自清洁的效果。润湿性是固体材料表面的重要特性之一。决定材料表面润湿特性的关键因素包括材料表面的化学组成和表面的微观几何形状。因此,科学家将其静态水接触角大于150°且滚动角小于10°的表面称为超疏水表面。超疏水材料通常具有微纳米复合结构和低表面能化学物质,这也是成为超疏水材料的前提。由于其优异的自清洁,油水分离,耐腐蚀,防冰和防雾的特性,近年来,超疏水表面已受到材料科学家的青睐,吸引了众多科学家对其进行投资。超疏水材料的研究。
实际上,在2000多年前,人们发现污泥中生长着一些植物,但其叶子几乎总是干净的,典型的例子是荷叶。莲花通常生长在沼泽和浅水区,但它们具有“不淤泥而不染色”的特征,这使莲花成为数千年来纯度的象征。露珠和雨水很容易带走荷叶上的灰尘和污垢,保持表面清洁。科学家称这种亚清洁现象为“荷花效应”。
然而,直到1960年代中期扫描电子显微镜(SEM)的发展,人们才知道荷叶始终保持清洁的机理,并且人们逐渐揭示了荷叶的秘密。 1977年,德国伯尔尼大学的Barthlott和Neinhuis通过扫描电子显微镜研究了荷叶的表面结构(如图1所示)。结果表明,荷叶表面的微米乳突结构和蜡质是其自洁功能的关键。他们认为,由此产生的“叶效应”是由低表面能材料(例如蜡质物质)和银河过程的微米级粗糙结构共同造成的。
研究表明,荷叶表面分布着大量的微米级蜡状微乳状液结构(图1(a))。每个乳突上分布着大量的纳米级细支化结构(图1(b));此外,荷叶表皮上有许多蜡状的三维细管(图1(c))。这种微纳米复合结构导致水滴与荷叶表面之间的接触面积低。因此,荷叶的表面蜡成分和微/纳米复合结构共同作用,赋予荷叶独特的超疏水性和低附着力。水在荷叶上的接触角和滚动角分别约为160°和2°。水滴在荷叶表面几乎呈球形,可以在各个方向上自由滚动,同时带走了荷叶表面的灰尘,显示出良好的自清洁效果(图1(d))。当与水的接触角大于150°时,荷叶效应(即自清洁表面)具有很强的抗污染能力,也就是说,落下的水滴可以带走灰尘等表面污染物而不会带走留下任何痕迹。

从自然到仿生:超疏水材料的过去和现在1

图1荷叶表面的SEM图像
除荷叶外,世界上还有许多动植物是超疏水的。水稻叶子上的水滴比荷叶表面上的水滴更个别。与荷叶表面上的水滴可以向任意方向滚动不同,大米叶片上的水滴可以在叶片生长方向上轻松滚动,而在垂直方向上滚动则更加困难。这是因为稻米叶片具有沿行方向排列的突起阵列和一维凹槽结构(图2(a))。在垂直于叶片生长的方向上,液滴的滚动角为3°– 5°,在垂直方向上,液滴的滚动角为9°– 15°。稻叶表面上的乳突结构的线性排列为液滴提供了不同的能垒,这些能垒沿两个方向渗透。类似于蝴蝶的翅膀,扇形展开时,水滴会沿着轴的轴线滚动,因此水滴不会弄湿蝴蝶的身体。事实证明,蝴蝶的翅膀被大量沿轴心方向排列的微纳尺度所覆盖(图2(b))。这种高度方向性的微纳米结构有效地影响了水滴的润湿行为,因此水滴可以很容易地沿径向滚动,而被嵌入相反的方向。可以通过控制机翼拍打的姿势或穿过机翼表面的空气的方向来调整两个不同的状态。这种各向异性的附着力可以在潮湿的环境中对蝶形翅膀进行定向清洁,确保飞行过程中的稳定性并避免灰尘积聚。
与荷叶表面上的小水滴很容易滚动不同,玫瑰花瓣上的小水滴倾向于附着在表面。通过对玫瑰花瓣的微观探索,科学家发现玫瑰花瓣的表面由微米大小的乳突组成,而在乳突的尖端有许多纳米级折叠结构,这种纳米折叠结构就是这种结果。花瓣的高附着力。关键因素(图2(c))。气体可以存在于纳米折叠结构中,而水可以很容易地渗透到微乳腺之间。壁虎的脚掌与玫瑰花瓣一样。壁虎的鞋底具有超强的疏水性和自清洁性,但令科学家兴奋的是,壁虎的鞋底具有超粘能力,可以在光滑的表面上自由移动。这是由于壁虎鞋底表面上排列良好的微粉状刷毛,它由数百个较小的纳米级末端组成(图2(d))。壁虎毛的纳米尖端与固体表面之间的接触所产生的范德华力是壁虎以各种角度爬行的支撑。
蚊子的复眼排列成紧密的六角形小眼睛,而每只小眼则排列有紧密的六角形突起(图2(e))。这种独特的复合结构使蚊子的复眼具有极强的疏水性。当蚊子暴露在有雾的环境中时,可以发现在蚊子的眼睛表面上不会形成非常小的液滴,并且大量的液滴凝结在蚊子的眼睛周围的绒毛上。这种极强的疏水性可防止水滴在蚊子的眼睛表面附着和聚集,从而使蚊子看得清清楚楚。这一发现为干燥防雾表面材料的开发提供了启发性的研究思想。
水獭可以轻松地在水上行走甚至跳跃。秘诀是其毛茸茸的双腿具有强大的超疏水性。当水獭站在水面上时,它的腿会形成一个深度约为4毫米的漩涡,而不是刺穿水面。每条腿都具有强大而持久的超疏水力,可以支撑其重量的15倍左右。同时,还发现了水leg腿的特殊微观结构,大量有序的条状微结构覆盖了水ech的腿,这些微结构以大约20°的角度定向,并且每个微带结构它由一个螺旋形的纳米槽组成(图2(f))。这种独特的分层微纳米多尺度结构可有效捕获水le腿和水面之间的气体,形成强大的气膜。水獭腿坚固,超疏水的能力激发了新型水生设备的设计。

从自然到仿生:超疏水材料的过去和现在2

图2不同动物的不同微观结构
自然启示:从自清洁表面的“荷叶效应”到超疏水表面的构造
人法,地法,天法,道法是自然的。通过研究自然界中具有超疏水性的植物的叶子,可以知道超疏水性表面的制备需要两个条件:一是材料的表面具有非常低的表面能;二是材料的表面能极低。另一个是固体材料的表面具有一定的粗糙度并具有微米。以及纳米的双重结构。
从固体表面的静态接触角来看,确定固体表面的疏液性的关键在于材料表面的化学组成,而表面的粗糙度只会增强这种效果。因此,当构造超疏水固体表面时,通常是在低表面能表面上构造粗糙表面或在粗糙表面上修饰低表面能物质。首先,人们开始研究低表面能材料的制备,发现表面能最低的固体材料是硅氧烷和含氟材料。其中,含氟材料是最优异的,其表面能比硅氧烷的表面能低约10 mN / m,并且氟是除氢以外的所有元素的最小原子半径。它具有强电负性,高碳氟化合物键能,低内聚能以及高热稳定性和化学稳定性。它具有耐热性,耐候性,耐化学性和低折射率的特性。当材料-CF 3基团的表面以紧密堆积的六边形顺序堆叠时,固体表面的最低表面张力为6.7 mJ / m 2。因此,目前制备的具有低表面能的大多数材料主要是含氟材料。另外,人们已经开始尝试不同的方法来控制表面结构以制备超疏水涂层。目前,通常使用逐层自组装方法,物理或化学气相沉积方法,蚀刻方法,模板方法,静电喷涂方法和溶胶-凝胶方法。
超疏水材料的机遇与挑战:耐久性和透明度
尽管超疏水材料在现实生活中具有广阔的应用前景,但在实践中要实现超疏水性的广泛应用仍存在许多困难,最大的挑战是耐久性和透明性。疏水涂层对基材的粘附性差,并且粗糙的结构也非常脆弱。当表面受到诸如冲击和摩擦的机械作用时,它很容易损坏并失去超疏水性能。因此,开发具有稳定减摩性能的超疏水涂层或具有自修复功能的超疏水表面已成为超疏水材料研究领域中的迫切问题。通常,为了获得超疏水性,表面将具有一定的粗糙度,并且粗糙度越大,折射率越大并且透明度越低。这极大地限制了超疏水材料在光学器件中的应用。

结论

从自然到仿生,超疏水材料从荷叶开始,一直发展到今天。科学家从未停止探索自然。我相信,随着我们对自然的深化探索,对自然的理解不断加深,超疏水性领域必将取得更大的进步。

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