超疏水材料何以“滴水不沾”

视觉中国供图

日前，威海高新区福河变电站项目顺利通过省住建厅评审，成为山东省内首座二星级绿色建筑变电站。项目建设采用了超疏水超自洁防凝露涂料、高分子防潮封堵剂、零损耗辐射制冷膜等新材料，绿色建材使用率超过80%。那么，超疏水材料是什么，它又如何实现超自洁呢？

超疏水材料是一类对水极端排斥的材料，通常由特殊的表面微纳粗糙结构和低表面能化学物质构成。它的疏水特性主要归功于表面的微纳粗糙结构。接触角大于150°、滚动角小于10°，是超疏水材料表面的典型特征。其中，水滴与表面的黏附力极小，且滚动角α＜10°的“荷叶态”，是目前研究最为广泛的一种超疏水材料状态。在显微镜下，荷叶表面布满密密麻麻的微米级乳突。这些突状结构之间充斥着空气，形成了一层极薄的空气膜，再加上荷叶自身分泌的、表面能低的植物蜡质，共同造就了荷叶的疏水和自清洁效应。

在古代，人们就有利用超疏水材料的意识，油纸伞便是其中的产物。最早的油纸伞伞面还不是轻巧的宣纸，而是动物的皮草。后来，随着纸张的发展，人们就想到了在伞面上铺就浸透天然桐油的宣纸，一来可以减轻伞本身的重量，二来也达到了较好的疏水防雨效果。在油纸伞的制作过程中，至关重要的一步工艺便是刷桐油。桐油熬好后，要用棉布沾满桐油涂刷在伞的阴阳两面，要重复三次，自然晾干后还需再涂一遍，这样才能保证油纸伞在雨中表现出较好的疏水性能，不被浸坏。

油纸伞盛行在水光潋滟的江南，“文化、历史、怀旧”，这些附着在油纸伞上美好而典雅的标签，凝聚着浓郁的古老华夏民族的符号意义。现在的油纸伞，以其精美的图案、复古的造型，承载着古人精湛的工艺，勾连着人们怀旧的情愫。

而现在，围绕在人们生活周围的超疏水材料，在医学、建筑、纺织、军事等领域有着广阔的应用前景。

超疏水材料的显著特征是不润湿，这样就降低了与细菌接触的可能。医学上抓住了这个新思路来抑制细菌繁殖、防止伤口感染溃烂。科研人员就是利用超疏水粗糙表面间隙留存的空气，迫使肽聚糖和底物之间的接触区域变得最小，基于这些空气层来抑制和减小细菌黏附，从而抑制生物膜形成，降低感染的可能性。

雨过天晴后，荷叶表面光洁如新，这是由于超疏水材料具有的自清洁性能。科研人员将这一性能迁移到建筑墙体的防护上，运用超疏水材料的墙面相较于普通墙面更干净。这是因为附着了超疏水材料的墙体，上面的颗粒及液体污染物容易通过水流的作用被冲走，从而减少了人工打扫的成本，降低了能源的损耗。一些户外玻璃、太阳能电板、高层建筑外墙就是应用了超疏水材料的这一性能。

应用了超疏水材料的纺织品也表现出不黏附、自清洁的性能，被人们戏称为“不用洗的衣服”，即使酱油滴在衣服上也会“丝滑”溜走，不留污渍。具有这种优良性能的纺织物可以满足人们日常生活的多方面需求。

在军事装备方面，超疏水材料为武器带来了更多的优良性能，以面对更严苛的外部环境，比如耐磨、防雾等综合防护能力。2017年4月，美国密歇根大学研制的一种高耐磨性超疏水涂料，由氟化多面体低聚倍半硅氧烷低表面能材料和氟化聚氨酯高弹体黏合剂混溶制成。在防雾方面，超疏水材料以多尺度的表面结构，抑制了潮湿环境中的雾气凝结，从而达到有效保护光学器件等重要设备的目的。

人类在自然中获得灵感，从亭亭净植的荷叶，到撑着油纸伞的姑娘，再到我们生活中随处可见的现象，超疏水材料的应用贯通古今，包罗万象，呈现出蓬勃的生命力。与此同时，我们也要关注超疏水材料还面临着许多难题，而对于科研工作者来说，环境友好型、成本低廉、工艺简单的超疏水材料的研发又是重中之重。

（第一作者系西北师范大学教授、博士生导师，第二作者系西北师范大学研究生）