自然界那些神奇的现象——超疏水的魅力(转载)

本文将主要介绍生物界中相关的现象与典型结构特征，旨在为仿生特殊润湿表面制备提供参考。文章主要分为三部分：

l Cassie与Wenzel润湿状态；

l 静态润湿状态；

l 智能润湿行为。

1. Cassie与Wenzel润湿状态

在表面润湿性研究当中，最常接触的就是Cassie状态和Wenzel状态了，从图 1中可以看到，Cassie状态表明液体与固体间不完全接触，存在气体（一般称为“气垫”或“气室gas chamber”）；Wenzel状态下液体与固体紧密接触，界面不包含气体。

图 1 Cassie与Wenzel状态示意图

由以上公式可知，Wenzel状态下，增加粗糙度不会改变表面亲疏水性，只会使疏水表面更疏水，亲水表面更亲水；当处在Cassie状态时，表观接触角显著提升，更易实现超疏水状态。

2. 静态润湿状态及典型生物特征

仿生制备超疏水表面，首先要对典型生物特征进行分析，细致的观察生物宏观特性与微观结构特征之间的联系，研究相应的机理，对制备类似功能表面具有非常重要的意义。这方面的研究主要集中在2000-2010年，属于超疏水相关早期研究。

自然界经过上亿年漫长的进化过程，通过细胞的分化演化出了许多微观上非常精密的结构，使不同生物宏观上表现出令人着迷的现象。图 2展示了四种典型的静态润湿状态、相对应的典型生物以及对其表面进行的微米和纳米级观察。

图 2 典型静态润湿状态及相应代表性生物[1-3]

代变爱情的玫瑰热烈而奔放，饱含水滴的花瓣在日光下折射出不同的光彩仿佛钻石般璀璨，而这种现象，正得益于花瓣表面微米级的凸起与纳米级褶皱的结合的结构特征；雨中翩翩起舞的蝴蝶，正得益于翅膀表面微米级鳞片与纳米级沟槽的复合；水面行走如履平地的水黾，其秘密就在于四条腿表面存在大量的微米级刚毛及其表面更加细微的纳米姐沟槽；荷叶出淤泥而不染，主要因为表面的微纳复合凸起结构。

3. 智能润湿行为及相应生物特征

经过早期对大量生物特性的研究，人们对超疏水的理解更加深入，相关研究进入了第二个阶段——针对特殊润湿现象的智能润湿行为研究。

• 单向运输：水稻

细心的学者发现水稻叶片存在液滴单向运输的特性，主要是指液滴只会沿着叶片的长度方向移动，而不会在宽度方向移动。通过微观SEM观测，发现水稻叶片表面与和荷叶相似，都是微纳复合凸起结构，只不过在宽度方向微结构不均匀分布，而在长度方向分布均匀，使得液滴在两个方向运动阻力不同，从而实现液滴单向运输特性，如图 3所示。

图 3 水稻叶片表面结构及飞秒激光仿生制备水稻叶片表面结构[4]

• 定向运输：猪笼草

相比水稻叶片单向运输的特性，猪笼草的特性更加让人着迷，猪笼草内壁可以将液滴连续搬运至外壁，实现反重力搬运，该特性被称为定向运输。针对这一迷人的现象，北航陈华伟教授与江雷院士共同开展了相应理论和实验研究，最终揭示了定向运输的机理，为仿生制备奠定了坚实的基础，该成果也于2016年被国际顶级综合期刊《Nature》所报导[5]。

参考文献：

1. Barthlott, W.; Neinhuis, C., Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 1997, 202 (1), 1-8.

2. Gao, X. F.; Jiang, L., Water-repellent legs of water striders. Nature 2004, 432 (7013), 36-36.

3. Li, S.; Huang, J.; Chen, Z.; Chen, G.; Lai, Y., A review on special wettability textiles: theoretical models, fabrication technologies and multifunctional applications. Journal of Materials Chemistry A 2017, 5 (1), 31-55.

4. Lu, Y.; Yu, L.; Zhang, Z.; Wu, S.; Li, G.; Wu, P.; Hu, Y.; Jiawen, L.; Chu, J.; Wu, D., Biomimetic surfaces with anisotropic sliding wetting by energy-modulation femtosecond laser irradiation for enhanced water collection. RSC Adv. 2017, 7, 11170-11179.

5. Chen, H.; Zhang, P.; Zhang, L.; Iu, H. L.; Jiang, Y.; Zhang, D.; Han, Z.; Jiang, L., Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature 2016, 532 (7597), 85-+.

原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/118697302