金屬表面超疏水在自清潔、防腐、減阻和防冰等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用，由此受到了國(guó)內(nèi)外研究者們多年的廣泛關(guān)注，并已取得諸多研究和應(yīng)用進(jìn)展。

然而，當(dāng)前金屬表面超疏水性能的實(shí)現(xiàn)大都仍依賴于傳統(tǒng)的二元協(xié)同設(shè)計(jì)思想，即首先在材料表面制作微/納米結(jié)構(gòu)，然后再采用低表面能有機(jī)物進(jìn)行修飾。毫無疑問，這種依靠粘附涂層的設(shè)計(jì)在實(shí)際腐蝕性環(huán)境（例如海水）中很容易遭受侵蝕性離子的滲透、導(dǎo)致涂層分解、疏松和剝落等風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)超疏水化學(xué)耐久性的顯著下降。特別是，由于化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的材料表面能變化會(huì)對(duì)液體滾動(dòng)角產(chǎn)生顯著影響，使得超疏水表面性能難以在長(zhǎng)時(shí)間范圍獲得良好維持。這對(duì)眾多實(shí)際應(yīng)用而言，是一個(gè)長(zhǎng)期面臨的普遍難題。

為了解決這一問題，中國(guó)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出飛秒激光元素?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)（FLEM）與循環(huán)低溫退火（RLA）相結(jié)合的研究方法，在金屬鋁合金表面構(gòu)建了一種以次晶相態(tài)為主導(dǎo)的仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)(BAT)，成功實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動(dòng)超疏水效果。其中，獨(dú)特的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣捕獲的穩(wěn)定利用，而次晶相態(tài)形成則可以大幅度地降低材料表面自由能，從而讓金屬表面展現(xiàn)了獨(dú)具特色的超疏水化學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，該金屬樣品即使在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)2000小時(shí)的腐蝕性鹽水浸泡后，其表面依然能夠保持良好的超疏水性能。不僅如此，這種結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能也尤為突出，在經(jīng)過強(qiáng)烈的電化學(xué)反應(yīng)測(cè)試后，材料表面的超疏水特性也依然能夠保持，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的腐蝕電流更是低至10-12A/cm2，較未加工樣品表面的情況降低了5個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，研究發(fā)現(xiàn)這種自主性的超疏水金屬表面也能承受住不同酸堿溶液浸泡、紫外輻射和冷凍循環(huán)等多種苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。

【拓展閱讀：什么是超疏水】

予獨(dú)愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖。

——周敦頤《愛蓮說》

蓮花，又稱荷花，因其不沾染泥土，始終保持高潔的姿態(tài)，自古以來便是文人墨客喜愛之物。生活中，我們也可以觀察到，水滴很難在荷葉表面停留，而液滴在其表面快速滾落的過程中會(huì)攜帶走表面的塵土和雜物，實(shí)現(xiàn)自清潔（self-cleaning），這也就是荷葉為什么能始終保持干凈整潔的緣故。

荷葉表面自清潔現(xiàn)象

然而，受限于觀測(cè)能力，荷葉具備這種神奇功能的原因直到1997年才被Barthlott等學(xué)者揭示，并將其命名為“荷葉效應(yīng)（Lotus effect）”。研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面具有密集的微凸起結(jié)構(gòu)，高度大約為5微米。進(jìn)一步放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)在微凸起表面還附著一層納米級(jí)別的乳突，高度大約200納米。此外，荷葉在其表面會(huì)分泌一層生物蠟質(zhì)，用來抵御外界的侵害。正是這種表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)與生物蠟質(zhì)結(jié)合的特點(diǎn)，賦予了荷葉獨(dú)特的超疏水性能。

荷葉表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)

超疏水的數(shù)學(xué)表述

液滴在固體表面穩(wěn)定存在時(shí)會(huì)呈現(xiàn)不同的形貌，該形貌用接觸角（Contact Angle, CA）表示。接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線，此切線在液體一方的與固-液交界線之間的夾角θ，其取值范圍為（0,180），接觸角大小可由Young方程計(jì)算得出。

圖 3 接觸角定義及Young方程

親、疏水的臨界接觸角值為90°，大于90°定義為疏水，接觸角越大表面疏水性能越好，超疏水（superhydrophobic）是指接觸角大于150°的潤(rùn)濕狀態(tài)。也就是說，靜態(tài)液滴傾向于在表面維持球狀。

圖 4 靜態(tài)液滴在表面呈球狀

然而，研究發(fā)現(xiàn)，要想獲得荷葉一般“沾水即走”的性能，光是靜態(tài)的接觸角大于150°還不足夠表征。于是引入了滾動(dòng)角（Sliding Angle, SA）表征動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性，滾動(dòng)角是指傾斜表面至液滴開始滾動(dòng)的角度。目前文獻(xiàn)中普遍將CA>150°，SA<10°的表面定義為超疏水表面。

圖 5 動(dòng)態(tài)液滴在超疏水表面快速滾落

超疏水性是一種特殊的潤(rùn)濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，材料表面能（材料表面分子比內(nèi)部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當(dāng)?shù)捅砻婺懿牧暇哂形⒂^粗糙結(jié)構(gòu)時(shí)，水滴與材料之間會(huì)形成一層空氣膜，阻礙水對(duì)材料表面的潤(rùn)濕，從而形成超疏水狀態(tài)。

因?yàn)樗卧诔杷牧媳砻鏉L落時(shí)可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。

超疏水表面有什么用

由于超疏水表面液滴難以停留的特性，使得該表面具有防水、防冰、防霧、自清潔等特性。在航空航天領(lǐng)域，飛行器表面的超疏水涂層可以有效防止機(jī)身結(jié)冰，保障飛行性能，避免空難發(fā)生；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，超疏水涂層可以避免玻璃起霧，保證視野清晰，保證行車安全；在電子電氣領(lǐng)域，超疏水涂層可以避免電路板積水，防止電子元器件短路或生銹；在日常生活方面，超疏水涂層可以實(shí)現(xiàn)鍋底防粘，保證食品美味可口~大到航空航天，小到柴米油鹽，可以說超疏水表面具備非常廣泛的應(yīng)用前景。目前制約超疏水涂層大面積工業(yè)化應(yīng)用的主要問題還是壽命較短，如何提升嚴(yán)苛環(huán)境下涂層的壽命是目前的主要研究方向。