蓮花“出淤泥而不染”，這句話除了傳達哲學上的深刻思考，也激發了科學家們的無限想象。1977年，德國植物學家Barthlott在電子顯微鏡下發現蓮葉的超疏水和自清潔現象的表面有一層茸毛和一些微小的蠟質顆粒，水在這些納米級的微小顆粒上不會向蓮葉表面其他方向蔓延，而是形成一個個水接觸角高于160°的水珠，受輕微振動后，這些水珠會從葉面快速滾落帶走葉子表面的灰塵，清潔葉子表面。在這一特殊的“荷葉效應”，啟發了科學家們對超疏水材料的制備與應用進行深入研究。

超疏水材料如何制備？

在Barthlott研究的基礎上，科研人員們繼續進行大量研究，發現固體表面的超疏水性是由低表面能物質和微-納米粗糙結構共同決定的，表面能較低的材料雖不容易與液體相互作用，但也只能使水滴在材料表面的接觸角達到120°，當低表面能材料具有微-納米級微觀粗糙結構時，水滴與材料表面形成“空化”，可以進一步減少水對材料表面的潤濕，從而形成接觸角＞150°、滾動角＜10°的超疏水狀態。

因此超疏水性表面的制備方法主要有兩種路線：一是在具有微-納米粗糙表面結構的固體表面修飾烷烴類化合物、有機硅化合物、含氟化合物等具有低表面能的物質，二是在具有疏水性的固體表面構造多層級的微-納米粗糙結構。基于這兩種路線，模板法、溶膠凝膠法、層層組裝法、沉積法、相分離法、噴涂法等技術都逐步被應用于制備超疏水性表面。

1、蝕刻法

刻蝕法是指通過使用液體蝕刻劑的濕法化學蝕刻或使用等離子體的干法離子體蝕刻在物體表面構造特殊微納粗糙結構的方法，這種方式的可操作性強，適用于工業化大規模生產，可在多種材料上精確構建不同大小和形狀的微結構。但是化學刻蝕所大量采用的腐蝕性溶液通常具有生物毒性，對人體和環境有一定的危害。

2、化學氣相沉積法

化學氣相沉積（CVD）是一種將前驅體加熱成氣態后，將其沉積在襯底上以形成所需的固體薄膜的技術。利用CVD法制備超疏水材料，不僅可以構建具有不同形貌微-納米粗糙結構，還可以不受基材形狀限制在粗糙表面上沉積一層均勻的低表面能疏水薄膜，但制備的膜層較薄。

化學氣相沉積法制備模擬荷葉表面的超疏水碳納米管結構表面掃描電鏡結果圖

3、溶膠-凝膠法

溶膠凝膠法是采用含高化學活性組分的化合物作為前驅體水解形成溶膠，再將溶膠涂覆在基體表面，經陳化形成具有三維空間網絡結構的凝膠，最后再通過干燥在材料表面成形成粗糙的三維多孔涂層的過程。這種技術的優點在于可直接采用含有低表面能物質的前驅體，操作方便，制備成本低廉，對基底要求不高，但涂層結構的可控性較差。

超疏水氣凝膠的制備示意圖

4、靜電紡絲

靜電紡絲是一種利用聚合物溶液在一定條件下拉伸成絲制備直徑在微米和納米級纖維的技術，通過在具有低表面能的聚合物紡絲液中摻入納米顆粒進行靜電紡絲，可一步到位制備兼具低表面能物質和微納粗糙結構的表面，不需要后處理就可達到超疏水效果，但由于生產成本較高，目前無法實現量產。

靜電紡絲制備超疏水材料示意圖

5、層層組裝法

層層組裝法是利用氫鍵、共價鍵、配位鍵、靜電引力等分子間作用力，將襯底交替浸泡在帶正電荷或帶負電荷的材料溶液中實現自發吸附組裝，從而構建微納粗糙結構的一種方法。在組裝過程中，可加入SiO2等納米顆粒提高表面粗糙度。該法憑借操作簡便、能精確控制涂層厚度等優點已被廣泛應用在超疏水表面制備上，但存在制備過程冗長耗時的缺點。

層層組裝法制備SiO2基超疏水材料示意圖

6、模板法

模板法是制備超疏水表面的常用方法，該方法是在襯底上附著一層具有粗糙結構的模板，再將鑄膜液加入到模板上，模板表面成膜后通過物理或化學手段將模板移除，即可在襯底上得到疏水性薄膜。這種方法可實現對結構的高度控制，但由于受模板尺寸的限制，難以實現大規模生產。

基于磁流體成型法制備圓錐形貌PDMS（聚二甲基硅氧烷）結構的示意圖

7、噴涂法

噴涂法是指將聚合物和納米顆粒的混合溶液在一定壓力下從噴槍中噴出，形成霧狀粘附在基底表面的方法。該方法工藝簡單，成本低廉，尤其適合硬質基材的大面積噴涂。但通常需借助膠黏劑使基底和涂層緊密結合或噴涂溶液自身作為強力的膠黏結合層。

噴涂法制備超疏水抗腐蝕表面示意圖

超疏水材料的應用

超疏水材料的獨特結構賦予了它自清潔、防腐蝕、防冰、防粘等實用功能特性，在工業上的潛在應用也逐漸被發掘。

1、自清潔

作為超疏水材料的最大特點，自清潔特性使得其在建筑、紡織、醫療等行業都有廣泛的應用前景。在建筑領域，高層建筑的玻璃幕墻由于裸露在外，容易粘附油、灰及水漬，清潔難度大，采用具有自清潔特性的超疏水玻璃則大幅減少了清潔難度和維護費。在紡織領域，將超疏水材料以噴涂、紡絲等方式編織進織物或鞋子表面，理論上即可在潮濕泥水環境中實現自清潔效應。在醫療器械表面應用超疏水涂層，可以防止生物污染和細菌附著，提高器械的衛生性能。

自清潔玻璃（來源：中科華納）

2、油水分離

傳統的油水分離方法（如重力分離、氣浮分離等）存在分離效率低、成本高且時間長等缺點，在實際應用中存在諸多限制，因此工業油污的分離與降解一直是環境保護領域中的關鍵性難題。在陶瓷膜上進行超疏水改性，則可利用超疏水膜層對油和水的浸潤性差異，實現高效率的油水分離，有效實現污染物的選擇性過濾與吸收，對于環境保護及資源回收利用具有重要意義。

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3、抗腐蝕

當金屬裸露在環境中時，容易與氧氣、水、鹽等介質發生氧化還原反應，導致金屬結構受損。利用超疏水材料作為金屬的保護涂層，就能使液體更容易從金屬表面滾落，減少金屬表面與液體的直接接觸，并隔絕水分和微生物，起到出色抗腐蝕作用，因此，對于金屬表面的腐蝕防護也是超疏水表面的一個重要應用。

4、防覆冰

電線、工業設備、道路等因嚴寒天氣造成的表面覆冰會給人們的日常生活帶來極大的不便，甚至引起嚴重的安全事故。在重要設備的表面上制備超疏水涂層既可有效促進液滴在表面上的滾動和掉落，削弱冰和固體的附著力，還可有效減少冰與固體表面的接觸面，從而起到抑制結冰的作用。

小結

超疏水材料的疏水特性歸因于其低表面能物質和微-納米粗糙結構的協同租用，故可采用化學氣相沉積、蝕刻法、溶膠-凝膠法、噴涂法等方式在具有微-納米粗糙表面結構的固體表面修飾具有低表面能的物質或在具有疏水性的固體表面構造多層級的微-納米粗糙結構。而超疏水材料所具備的自清潔、防腐蝕、防冰、抗腐蝕等實用功能特性，在日常生活及工業生產中展現的廣泛應用前景，未來結合超疏水材料這些特性制備多功能材料有望成為超疏水材料的發展方向。

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