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OPTON微觀世界|第34期從荷葉效應(yīng)到超疏水表面——從自然到人工合成

2018.9.14

前言

在盛夏時(shí)節(jié)安靜的池塘邊，正是觀賞荷花的好時(shí)候。在紅花綠葉的點(diǎn)綴下，夏日仿佛多了一絲清涼舒緩。每當(dāng)提到荷花（蓮花），總能想起周敦頤在《愛蓮說》中 “予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的詩句。荷花歷來被佛教尊為神圣凈潔之花，并且極力宣傳并倡導(dǎo)學(xué)習(xí)荷花這種清白、圣潔的精神。另外，李白的詩句“清水出芙蓉，天然去雕飾”，也表明荷花具有天然之美。荷花即青蓮，青蓮與“清廉”諧音，因此荷花也被用以比喻為官清正，不與人同流合污，這主要是指在仕途中。比如，有一幅由青蓮和白鷺組成的名為“一路清廉”的圖畫，就被很多文人置于自己的書房中?？墒?，蓮為什么可以出淤泥而不染呢？這就要講到蓮花的“自清潔”和“不沾濕”特性了。

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荷葉效應(yīng)

如果留心觀察蓮花的葉子，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)荷葉上總是干干凈凈的，好似不留一點(diǎn)灰塵。這是因?yàn)楹扇~表面的特殊結(jié)構(gòu)有自我清潔的功能，即荷葉的“自清潔”特性。此外，我們經(jīng)常會(huì)看到這樣的場(chǎng)景：當(dāng)水滴在荷葉上時(shí)，水并沒有完全鋪展開，而是以水珠的形式停留在荷葉上，而且只要葉面稍微傾斜，水珠就會(huì)滾離葉面。這就是荷葉的“不沾濕”特性。荷葉的“自清潔”和“不沾濕”特性被統(tǒng)稱為“荷葉效應(yīng)”。這一概念最早是由德國(guó)波恩大學(xué)的植物學(xué)家巴特洛特提出的。

圖1荷葉效應(yīng)

超疏水特性

其實(shí)，荷葉的“不沾濕”特性也被稱為“超疏水”特性。那么，如何界定“超疏水”這一概念呢？在明確“超疏水”這一概念前，我們要先了解表面化學(xué)中的一個(gè)概念——接觸角。如下圖所示，接觸角指的是“液－固”界面的水平線與“氣－液”界面切線之間通過液體內(nèi)部的夾角θ。有了這一概念，我們可以很方便地表示液體對(duì)固體的潤(rùn)濕情況。當(dāng)夾角θ小于90°時(shí)，我們稱該液體可以濕潤(rùn)固體。當(dāng)θ大于90°時(shí)，該液體不能濕潤(rùn)固體。當(dāng)θ大于150°時(shí)，該固體表面具有超疏水特性。通俗地講，我們可以認(rèn)為這種固體表面有很強(qiáng)的排斥水的能力。

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圖2 浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)的特征

在自然界中，奇異的性質(zhì)往往是其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定的。那么，你肯定會(huì)問：“荷葉的特性是否與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？”答案是肯定的。掃描電子顯微鏡的發(fā)展給我們的科學(xué)研究帶來了更多的可能，也使得我們能夠觀察到荷葉的微觀結(jié)構(gòu)。通過電子顯微鏡的成像結(jié)果，我們可以清晰地看到荷葉表面有許多突起的“小山包”（這類結(jié)構(gòu)被稱為“乳突”如圖3(a)）。這些乳突的尺寸通常在6微米左右，這些乳突的平均間距在12微米左右。而這些乳突是由許多直徑在100納米左右的納米蠟質(zhì)晶體組成。由此可見，荷葉表面存在復(fù)雜的“微米-納米”雙重結(jié)構(gòu)，正是這些結(jié)構(gòu)使得荷葉產(chǎn)生了“超疏水”和“自清潔”的雙重特性。

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圖3 荷花葉片的SEM圖像 (a)低倍圖像(b) “乳突”高倍圖像(c)葉片底部高倍圖像（d）“乳突”尺寸對(duì)應(yīng)的接觸角曲線分布

由荷葉到仿生技術(shù)

自然界的生物都經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化過程，在物競(jìng)天擇下，生物自身的結(jié)構(gòu)和功能都經(jīng)過了長(zhǎng)期的篩選、發(fā)展和優(yōu)化，具有極高的效能。荷葉的“自清潔”性能，并不是簡(jiǎn)單的美觀功效，清潔程度直接影響葉片的光合作用效率。那么不僅僅是荷葉，在自然界中具有自清潔功能的生物還有很多種，比如蝴蝶的翅膀具有的超疏水結(jié)構(gòu)，保證蝴蝶翅膀不會(huì)粘連露水影響飛行。水黽的腳具有絨毛結(jié)構(gòu)，確保了水黽在水面上能以每秒鐘滑行100倍于自身長(zhǎng)度的距離，這都由于水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。而這些像針一樣的微米剛毛的直徑不足3微米，表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽，吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊，從而讓水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行，卻不會(huì)將腿弄濕。還有蚊子的復(fù)眼，它是由許多尺寸均一的微米半球組成，其表面還覆蓋有無數(shù)精細(xì)的納米乳突結(jié)構(gòu)，這種納米乳突結(jié)構(gòu)的尖端與霧滴接觸的面積無限小，具有理想的超疏水特性，從而確保了蚊子的復(fù)眼具有理想的超疏水防霧性能。

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圖4 蝴蝶翅膀，水黽足，蚊子復(fù)眼的超疏水結(jié)構(gòu)

對(duì)自然界演化生成的超疏水結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們也做了進(jìn)一步的研究，其超疏水表面的制備方法有多種：溶膠-凝膠法、相分離法、模板法、蝕刻法、化學(xué)氣相沉積法、自組裝法等等，下圖為具有獨(dú)特形狀的表面微米陣列（如圖5）納米陣列（如圖6），使得它們具有很好的疏水特性。

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圖5不同形態(tài)的人工合成的超疏水結(jié)構(gòu)

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圖6 超疏水結(jié)構(gòu)碳納米管陣列

經(jīng)過先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的表面改性，我們常見的水也可以變得很有趣，比如我們可以用手切割水珠（圖7），利用涂有超疏水材料的刀片對(duì)水滴進(jìn)行切割（圖8）。日常生活上，通過先進(jìn)疏水材料的應(yīng)用我們可以使得衣物不再被水或者油污污染，減少洗滌衣物的麻煩。在軍事上，由于疏水材料的使用使得水的阻力明顯下降，有效地提升了艦載的行駛速度。

圖7超疏水表面上流動(dòng)的水珠

圖8超疏水表面涂層的刀片切割水滴

結(jié)束語

從荷葉效應(yīng)到超疏水結(jié)構(gòu)材料的合成制備，實(shí)際上是一個(gè)仿生學(xué)研究的過程。它將生物的結(jié)構(gòu)、功能和行為應(yīng)用于現(xiàn)代工程系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)計(jì)中，解決人類所遇到的科學(xué)技術(shù)問題。仿生不是對(duì)自然模型的簡(jiǎn)單復(fù)制，而是對(duì)大自然中生物的理解、升華和具有創(chuàng)新價(jià)值的“重塑”。在這“重塑”的過程中，電子顯微科學(xué)技術(shù)對(duì)其發(fā)展與促進(jìn)作用是十分巨大的。

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