有鑒于此,，江雷院士等人對仿生超浸潤系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡而又深入的綜述，主要包括超浸潤體系的發(fā)展歷史,、設(shè)計(jì)原則,、體系建立、化學(xué)與制造,、新興應(yīng)用等五個(gè)方面,。

一、歷史脈絡(luò)與體系發(fā)展

說起超浸潤,，應(yīng)該有幾百年的歷史了,。而近幾十年對自然界特殊潤濕現(xiàn)象的機(jī)理研究，使得這一古老的話題重新燃起人們的興趣。

圖1. 超浸潤體系的歷史發(fā)展脈絡(luò)

1805年,，ThomasYoung首次提出接觸角的概念,，來定義表面潤濕性。水接觸角接近0^o的表面可稱之為超親水表面,，接觸角大于150^o的表面可稱之為超疏水表面,。

1907年，Ollivier首次報(bào)道了一種超疏水表面：油煙,、石松粉和三氧化二砷材料表面實(shí)現(xiàn)接近180o的接觸角,。

1920年，Langmuir（1932年諾貝爾獎得主）報(bào)道了一種單層吸附的有機(jī)化合物,，可以完全改變固體表面的摩擦和潤濕性能,。

這些研究，促使研究人員通過化學(xué)修飾來控制表面潤濕性,。

圖2. Wenzel理論和Cassie-Baxter模型

1936年,，Wenzel提出了一種理論模型，闡述固體表面宏觀粗糙度和接觸角之間的關(guān)系,，解釋了表面粗糙度可以怎樣增強(qiáng)疏水性,。

1944年，Cassie和Baxter將Wenzel模型進(jìn)行優(yōu)化,，延伸到能捕獲固體和液體之間空氣的多孔表面和粗糙表面,，。

1966年,，T.Onda等人通過自下而上的方法在烷基烯酮二聚體膜表面構(gòu)建微米級粗糙度,，首次得到接觸角接近180o的人工超疏水表面。

圖3. 水滴接觸角

Onda,T., Shibuichi, S., Satoh, N. & Tsujii, K. Super-water-repellent fractal surfaces. Langmuir 12, 2125–2127 (1996).

2001年,，江雷等人報(bào)道了一種具有納米尺寸粗糙度的超雙疏碳納米管薄膜,。

圖4. 水滴和油滴接觸角

Li,H. et al. Super-“amphiphobic” aligned carbon nanotube films. Angew. Chem. Int.Ed. 113, 1793–1796 (2001

由于對機(jī)理認(rèn)識不足,，超疏水表面的發(fā)展至此有所停滯,。直到接下來對自然界疏水現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行深入理解，才使得超疏水表面得以迅速的發(fā)展,，超浸潤體系才得以很好的完善,。

荷葉效應(yīng)是自然界最具特色的超疏水體系。據(jù)說,，最早是在宋朝,，中國古代文學(xué)家周敦頤的文章《愛蓮說》首次描述了經(jīng)典的荷葉效應(yīng)：出淤泥而不染，濯清漣而不妖,。

圖5. 荷葉疏水效應(yīng)

2002年,，江雷等人首次論述了表面微納米多尺度結(jié)構(gòu)是荷葉效應(yīng)的關(guān)鍵，是荷葉同時(shí)具有高表面接觸角和第粘附性的重要原因。

這使得研究人員對之前的“粗糙度”有了更深刻的理解,，也激發(fā)了一大批材料學(xué)家學(xué)習(xí)自然,，構(gòu)建各種超疏水表面的興趣。大量的無機(jī)材料,、聚合物,、金屬材料都被用于仿生構(gòu)建超疏水表面。

超親水,，是指水可以在表面迅速散開并形成完全潤濕表面的薄膜的行為,，這是和超疏水相對應(yīng)的另一種極限潤濕狀態(tài)。20世紀(jì)90年代以前,，該領(lǐng)域還是冷門,，并沒有多少人感興趣。

人的眼角膜就是典型的生物超親水表面,，可以使眼淚迅速散開以避免光散射,。

1959年，Koontz等人在硅片前處理過程中實(shí)現(xiàn)超親水,。

1997年,，Wang,R等人利用TiO₂的光催化性能在表面產(chǎn)生許多-OH，從而實(shí)現(xiàn)了超雙親TiO₂表面,。

圖6. 超雙親TiO₂表面

Wang,R. et al. Light-induced amphiphilic surfaces. Nature 1997, 388, 431–432.

對自然界中諸多植物和動物本征潤濕現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),，加速人工超浸潤體系的發(fā)展。極限潤濕狀態(tài)的種類不斷增加,，合計(jì)64種,，包括：空氣中的超親油、超疏油,、超雙親,、超雙疏；水中的超親油,、超疏油,、超疏氣、超親氣,；油中的超疏水,、超親水、超疏氣,、超親氣,。通過微納米結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)材料，這些潤濕狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)換,、

圖7. 超浸潤體系中的64種潤濕狀態(tài)

二,、超浸潤體系的設(shè)計(jì)原則

通過學(xué)習(xí)自然來解釋生物體系超浸潤的機(jī)理,，是設(shè)計(jì)和構(gòu)建超浸潤材料最有效的策略。一般來說,，主要有以下三種仿生設(shè)計(jì)原則：

1）微納米多級結(jié)構(gòu)決定材料是否具有超浸潤特性,；

2）微納米結(jié)構(gòu)的排列和取向決定潤濕狀態(tài)和液體運(yùn)動；

3）液體的本征潤濕閾值決定液體在粗糙表面的超浸潤性能,。

圖8. 超浸潤體系的設(shè)計(jì)原則

三,、超浸潤體系

       超潤濕材料的設(shè)計(jì)原則可以擴(kuò)展到不同維度的界面材料，譬如0D顆粒,，1D纖維和通道等,。2D結(jié)果表面，3D多孔材料以及膜等多尺度功能材料,，都可以通過集成不同維度的超潤濕材料制備得到,。

圖9. 超浸潤體系多維度材料構(gòu)建

四、超浸潤化學(xué)和制造

多種化學(xué)反應(yīng)和微制造過程都發(fā)生在氣固液或液液固三相界面,，反應(yīng)液體在固體表面的潤濕過程對產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響,。由于三相接觸模型的特殊性，超浸潤表面的化學(xué)反應(yīng)和微制造過程可能會表現(xiàn)出意想不到的行為,。

圖10. 超浸潤化學(xué)和制造

五,、超浸潤體系的應(yīng)用

超浸潤材料由于其獨(dú)特的潤濕性能，以及潤濕性能的二元協(xié)同或者組合,，在自清潔,、防腐蝕等日常生活中具有重要應(yīng)用，并對社會產(chǎn)生重大影響,。

除此之外,，不斷發(fā)展的超浸潤體系也逐漸開辟了大量新的領(lǐng)域，包括：防覆冰,、防霧,、熱傳遞、細(xì)胞捕獲,、防生物污垢,、油/水分離、綠色打印傳感以及能源轉(zhuǎn)化,。

表1. 超浸潤體系的新興應(yīng)用

雖然,，我們對超浸潤體系取得了徐的重要的認(rèn)識,，并構(gòu)建了一大批材料,，實(shí)現(xiàn)了一大批應(yīng)用。但是,，仍然存在以下問題亟待解決：

1. 在基礎(chǔ)研究上,，還需要進(jìn)一步從分子和原子尺度理解復(fù)雜的表面潤濕現(xiàn)象,，探索新的理論和概念。進(jìn)一步完善超浸潤體系中的64種本征和組合潤濕現(xiàn)象,。

2. 在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域,，還需要解決一大批目標(biāo)導(dǎo)向的工業(yè)應(yīng)用，產(chǎn)生重大價(jià)值,。

圖11. 實(shí)際應(yīng)用體系中,，超疏水表面經(jīng)過機(jī)械磨損前后的超疏水性變化

XuelinTian, Tuukka Verho, Robin H. A. RasMoving superhydrophobic surfaces towardreal-world applications. Science 2016, 352, 142-143.