疏水材料的原理及應(yīng)用刖言盡管人們很早就知道荷葉表面“自清潔”效應(yīng)，但是一直無(wú)法了解荷葉表面的秘密。直到20世紀(jì)90年代，德國(guó)的兩個(gè)科學(xué)家首先用掃描電子顯微鏡觀察了荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，認(rèn)為“自清潔”效應(yīng)是由荷葉表面上的微米級(jí)乳突以及表面蠟狀物共同引起的。其后江雷等人對(duì)荷葉表面微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)荷葉表面乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種微米與納米結(jié)構(gòu)同時(shí)存在的二元結(jié)構(gòu)才是引起荷葉表面“自清潔”的根本原因。這樣的“粗糙”表面產(chǎn)生的對(duì)水的不浸潤(rùn)性被稱為疏水性。疏水與超疏水在化學(xué)里，疏水性指的是一個(gè)分子（疏水物）與水互相排斥的物理性質(zhì)。疏水性分子偏向于非極性，并因此較會(huì)溶解在中性和非極性溶液（如有機(jī)溶劑）。疏水性分子在水里通常會(huì)聚成一團(tuán)，而水在疏水性溶液的表面時(shí)則會(huì)形成一個(gè)很大的接觸角而成水滴狀。疏水性通常也可以稱為親脂性，例如疏水性分子包含有烷烴、油、脂肪和多數(shù)含有油脂的物質(zhì)，但這兩個(gè)詞并不全然是同義的。即使大多數(shù)的疏水物通常也是親脂性的，但還是有例外，如硅橡膠和碳氟化合物。對(duì)于一個(gè)疏水性的固體表面來(lái)說(shuō)，當(dāng)表面有微小突起的時(shí)候，有一些空氣會(huì)被“關(guān)到”水與固體表面之間，導(dǎo)致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。由于水的表面張力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近于球形，其接觸角可達(dá)150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滾動(dòng)。這種接觸角大于150度的表面就被稱為“超疏水表面”，而一般疏水表面的接觸角僅大于90度。疏水原理根據(jù)熱力學(xué)的理論，物質(zhì)會(huì)尋求存＞匕、在于最低能量的狀態(tài)。水是極性物質(zhì)，_J并因此可以在內(nèi)部形成氫鍵，這使得它有許多獨(dú)別的性質(zhì)。而疏水物不是電子/七，可極化性的，它無(wú)法和水形成氫鍵，所■*A以水會(huì)對(duì)疏水物產(chǎn)生排斥，以減少化學(xué)能。而水分子間形成氫鍵。因此兩個(gè)不相溶的相態(tài)，將會(huì)變化成使其界面的面積最小時(shí)的狀態(tài)。此效應(yīng)可以在相分離的現(xiàn)象中被觀察到。氣體環(huán)繞的固體表面的液滴。接觸角。c，是由液體在三相（液體、固體、氣體）交點(diǎn)處的夾角。材料的浸潤(rùn)性是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的,通常以接觸角。表征液體對(duì)固體的浸潤(rùn)程度。

1805年，托馬斯?楊通過(guò)分析作用在由氣體環(huán)繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角。。氣體環(huán)繞的固體表面的液滴，形成接觸角Oc。如上圖。二-'"5璀—：=固體和氣體之間的表面張力=固體和液體之間的表面張力「.s'=液體和氣體之間的表面張力?？梢杂媒佑|角測(cè)量計(jì)來(lái)測(cè)量。由于Young方程僅適用于理想中的光滑固體表面,Wenzel和Cassie對(duì)粗糙表面的浸潤(rùn)性進(jìn)行了研究，并分別各自提出理論如果液體與固體表面微結(jié)構(gòu)的凹凸面直接接觸，則此液滴處于Wenzel狀態(tài)；而如果液體只是與微結(jié)構(gòu)的凸面接觸，則此液滴處于Cassie-Baxter狀態(tài)。Wenzel發(fā)現(xiàn)粗糙表面的存在，使得實(shí)際上固液相的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，從而對(duì)親（疏）水性產(chǎn)生了增強(qiáng)的作用。當(dāng)液體直接接觸微結(jié)構(gòu)化的表面時(shí)，。角會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閁il'Wenzelcos知*=rcos^其中，r為實(shí)際面積與投影面積的比率。WenzelWenzel的方程顯示了微結(jié)構(gòu)化一個(gè)表面將會(huì)放大表面張力。疏水性表面（具有大于90°的接觸角）在微結(jié)構(gòu)化之后會(huì)變得更加疏水，其新的接觸角將比原來(lái)增大。然而，一個(gè)親水性表面（具有小于90°的接觸角）在微結(jié)構(gòu)化之后卻會(huì)變得更加親水，其新的接觸角將比原來(lái)減小。Cassie和Baxter發(fā)現(xiàn)如果液體懸浮在微結(jié)構(gòu)表面，。角將會(huì)變?yōu)?―：：'。提出氣墊模型（由空氣和固體組成的固體界面）=6（cosO+1）-1其中，6為固體與液體接觸面積的比例。在Cassie-Baxter狀態(tài)下的液體比Wenzel狀態(tài)下更具有運(yùn)動(dòng)性。通過(guò)用以上兩個(gè)方程計(jì)算出的新接觸角，我們可以預(yù)測(cè)Wenzel狀態(tài)或Cassie-Baxter狀態(tài)應(yīng)該存在。由于有自由能最小化的限制，預(yù)測(cè)出具有更小的新接觸角的狀態(tài)就會(huì)更可能存在。從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，要使Cassie-Baxter狀態(tài)存在，以下的不等式必須成立。cos。＜（6-1）/（r-^）最近提出的一個(gè)判斷Cassie-Baxter狀態(tài)是否存在的替代標(biāo)準(zhǔn)是：1）接觸線力克服液滴未被支撐部分的重力；2）微結(jié)構(gòu)足夠高從而阻止液滴接觸微結(jié)構(gòu)的基底（即凹面）。接觸角是靜態(tài)測(cè)量疏水性的方法，接觸角滯后和滑動(dòng)角則對(duì)疏水性的動(dòng)態(tài)測(cè)量法。接觸角滯后是一種鑒定表面異質(zhì)性的現(xiàn)象。當(dāng)移液器將液體注到固體表面時(shí)，液體就會(huì)形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加，液滴的體積會(huì)隨之增加，接觸角也會(huì)變大，但三相邊界會(huì)保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進(jìn)接觸角?；赝私佑|角可以通過(guò)將液體從液滴中吸出來(lái)測(cè)量。隨著液體被吸出，液滴的體積減小，接觸角也減小，但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進(jìn)接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯后，它被用來(lái)鑒定表面的異質(zhì)性、粗糙性和運(yùn)動(dòng)性。非同質(zhì)的表面會(huì)有能夠阻礙接觸線的區(qū)域?；瑒?dòng)角是另一種動(dòng)態(tài)測(cè)量疏水性的方法：在固體表面放置一個(gè)液點(diǎn)，傾斜表面知道液滴開始滑動(dòng)，此時(shí)的傾斜角即為滑動(dòng)角。處于Cassie-Baxter狀態(tài)的液滴通常會(huì)表現(xiàn)出比Wenzel狀態(tài)更小的滑動(dòng)角和接觸角滯后。疏水材料的應(yīng)用許多在自然界中找到的超疏水性物質(zhì)都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質(zhì)。荷葉的“自清潔”效應(yīng)便是基于此原理而形成的。超疏水表面的應(yīng)用超疏水表面在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有著極其廣闊的應(yīng)用前景。荷葉的“自清潔”功能啟發(fā)了人們將超疏水表面應(yīng)用到日常的自清潔技術(shù)中。例如：它可以用來(lái)防雪、防污染、抗氧化以及防止電流傳導(dǎo)等。如果建筑物的外墻、露天的廣告牌等表面像荷葉一樣，就可以保持清潔。超疏水表面在減阻中的應(yīng)用船只等在水面航行時(shí)需要消耗很多的能源來(lái)克服行進(jìn)中的摩擦阻力，對(duì)于水下航行體如潛艇等甚至可達(dá)到80%；而對(duì)于運(yùn)輸管道如輸油（水）管道，其能量幾乎全部被用來(lái)克服流固表面的摩擦阻力。隨著微機(jī)電的發(fā)展，機(jī)構(gòu)尺度越來(lái)越小，固液界面中的摩擦力相對(duì)越來(lái)越大，如微通道