天鹅羽毛表面超疏水原理及其仿生应用

内容大纲

超疏水性能

超疏水理论模型

自然界动植物的超疏水特性

超疏水表面的人工制备

超疏水表面的实际应用

01.超疏水性能

在欣赏高傲美丽的黑天鹅时，我们会发现为什么黑天鹅的羽毛没有湿要找出原因，这离不开一个知识点，超疏水性质

超疏水性能是一个听起来很高大上的词，但在人们的生活中却随处可见如果你观察过一片荷叶，你会经常注意到一颗完美的水滴停在它的表面不仅叶子表面保持干燥，水滴还带走灰尘和碎片，使叶子保持清洁

这是因为纳米级的小凸起使得水滴与树叶的接触面更小这使水分子和表面原子之间的吸引力最小化，并允许水成珠并翻滚这是超疏水现象因此，超疏水性质有时被称为莲花效应

02.超疏水理论模型

超疏水现象的秘密在于低表面张力1804年，英国科学家T. Young提出了表面接触角的概念如图1所示，表面接触角由空气，水和接触面的表面张力决定表面润湿性越好，表面接触角越小

图1杨氏方程和接触角图

杨氏方程只描述了理想情况下接触角的变化，实际情况下并不存在文泽尔理论和卡西理论进一步描述了不同表面粗糙度对接触天线的影响文泽尔方程揭示了均匀粗糙表面的表观接触角和固有接触角之间的关系，如方程1所示

这里是粗糙度因子，定义为实际固液接触面积与表观固液面积的比值通过引入粗糙度因子，文泽尔方程解释了自然界中的一个现象，即表面粗糙度可以加强亲水性和疏水性粗糙表面比光滑表面更具亲水性和疏水性

方程式1文泽尔方程式

凯西和巴克斯特进一步扩展了杨氏方程他们认为粗糙的表面会截留一部分空气，这层薄薄的空气也会影响对接天线

方程2卡西方程

当液滴的接触面由两种不同化学性质的物质组成时，其固有接触角表示为和，其接触面积分别用f1和f2表示这样就可以用卡西方程计算出表观接触角

卡西方程和文泽尔方程并不矛盾，它们是对接天线在不同表面环境条件下的理论总结王amp姜将超疏水表面上液滴的状态分为五种类型:文泽尔状态，卡西状态，荷叶状态，过渡状态和壁虎状态

03.天然动植物的超疏水特性

1964年，Dettre和Johnson首先研究了莲花效应伴随着SEM的引入，德国波恩大学植物学家Wilhelm Barthlott发现了荷叶超疏水性背后的机制表面疏水性和表面粗糙度是材料超疏水性的两个关键因素

在自然界中，许多动物和植物都表现出这种超疏水特性例如，水稻，芋头，美人蕉，卷心菜，红玫瑰等植物以及水黾，蝴蝶和水禽的羽毛

鸟类的羽毛属于一种角蛋白，类似于人的头发结构，具有保暖疏水的特性大多数水禽羽毛都具有优异的超疏水性能，科学家们对此进行了深入研究认为表面纹理和油性表面涂层是产生超疏水性能的主要原因

肯尼迪在1970年发现鸟类的羽毛表面是多孔的，水滴的方向总是顺着羽毛细枝的方向Bormashenko等人发现，虽然鸽子羽毛由亲水性角蛋白组成，但鸽子羽毛表面的微孔结构使其整体上呈疏水性，满足Cassie方程的假设Sullivan等人通过深入研究，进一步发现羽毛表面的微孔构成了带凹槽的单向阀结构这种结构有利于减少鸟类在空中飞行的空气阻力张等发现这种结构赋予了羽毛自我修复的能力，使这种超疏水结构能够长期保持如图2所示，鸭毛由中间的纤维杆和向两边延伸的细枝组成靠近纤维棒中部的羽枝形成具有凹槽结构的精细结构，成为Cassie超疏水界面

周等人用扫描电镜研究了多种鸟类的羽毛结构，包括野鸭，小天鹅，黑天鹅，娃娃鸟，黑尾鸥，鸬鹚等6种鸟类他们发现，各种鸟类的腹羽结构都是相似的，都是由羽枝组成的但具体形态明显不同，可通过扫描电镜区分而且平绒小枝的直径和节间距离略有不同

在文献检索中发现，国内外对天鹅羽毛超疏水机理的研究很少，更多的超疏水研究集中在常见的家养鸟类许多研究都强调羽毛表面的沟槽状微三维结构是形成羽毛超疏水性的主要原因，更多的仿生研究集中在如何利用工程手段在表面形成微纳结构来提高表面超疏水性同时，禽类羽毛表面具有自修复能力，这也是目前人工超疏水表面不具备的性质如何提高长期稳定性应该是一个有趣的研究方向目前，国内外文献很少涉及天鹅羽毛，这仍是一个研究空白

04.超疏水表面的人工制备

通过对自然界动植物超疏水性能的仿生研究，人们可以利用各种工程技术使各种表面具有超疏水性能，从而解决表面自清洁，减摩减阻，道路防冻等相关的实际问题在过去的十年中，人们已经能够通过纳米技术降低表面自由能，使表面具有各种纹理来增加表面的粗糙度，并开发出各种人工自清洁表面

超疏水表面的制备应具备两个基本条件:1)基底具有微纳结构，2)底物的化学修饰基底的性质(如粗糙度)和化学组成直接决定了其超疏水性能

目前，金属和聚合物是常见的基础材料金属基超疏水材料以金属为基底的主要成分据文献报道，用于基底制备的金属包括一些合金，如铜，钛，铝，锌和铝锂合金(12)总体来看，金属基超疏水材料的制备受到基底可得性的限制，超疏水材料的持续时间有限，目标污染物单一聚合物基超疏水材料以聚合物为基底(或基底的主要成分)常见的聚合物基材料包括聚氨酯海绵(13)和聚多巴胺(14)相比之下，聚合物基超疏水材料制备简单，成本低廉，在油水分离方面具有较好的应用前景一般来说，聚氨酯海绵可以快速去除水中的油(接触角为0°)和其他附带的有机污染物，对柴油和汽油的吸附量分别达到19.6 g/g和18.4 g/g

但需要注意的是，由于成本，处理效果，R&D技术等多种因素，金属基超疏水材料和聚合物基超疏水材料的油水分离研究大多还处于实验室阶段此外，除了环保性能和油水分离性能，耐久性是影响超疏水材料应用前景的另一个重要因素

05.超疏水表面的实际应用

超疏水表面的特性使其在工程技术中得到广泛应用伴随着光伏技术的快速发展，表面清洗技术具有明显的现实意义这是因为太阳能电池表面的污垢会阻碍发电效率的提高，超疏水技术带来的自清洁效果已经成功应用于光伏技术

在化工技术中，油水分离通常需要昂贵的专业设备，超疏水技术为其提供了简单的解决方案这是因为超疏水表面通常由良好的亲油性组成当油水混合物与超疏水表面接触时，油将穿透表面，而水将保留在表面上从而实现油水分离

超疏水材料也用于医学领域在水溶性药物外部通过静电纺丝制备超疏水保护层超疏水网会在药物表面形成一层薄薄的空气，从而增加药物的溶解时间，达到缓释的目的

2008年，我国冰雪灾害造成电路线路大面积损坏，铁路交通中断，引起了人们对电力线路防冻保护技术的关注对电力线表面进行超疏水处理，会降低电力线表面出现冻雨和结冰的可能性，比单纯使用电加热更节能环保利用超疏水技术对纺织面料表面进行处理，使其抗污染，防水，一直是科学研究的重点普通防水配件多采用塑胶等材料因为不透气，人戴着不舒服，所以只能在特定场合使用你能像鸟一样拥有一种织物，在泥水中行走而不被淋湿吗超疏水技术在实验室将这一理想变成了现实(19)

由于空气污染，建筑表面堆积的灰尘会使新建筑在短期建成后看起来像是使用了很长时间建筑物的表面清洁在技术上具有挑战性，现在大多采用表面喷漆等手段进行维护超疏水涂层技术可以减少建筑物表面灰尘等污染物的沉积简单的用水冲洗就能让建筑焕然一新，在建筑领域有很大的应用前景

最近几年来，频繁的石油泄漏事故和石油类物质的大量使用造成了严重的生态环境污染研究人员想到用超疏水材料高效分离油水混合物来解决这一污染问题解决这一污染问题的关键在于油水混合物的高效分离超疏水材料对油和水具有不同的润湿性，其在油水分离过程中的应用前景受到广泛关注可是，传统的超疏水材料存在一些缺点，如原材料有毒，二次环境污染，可重复使用性差等，无法大规模应用因此，超疏水油水分离材料的制备应兼顾环保性能和油水分离性能

可是，超疏水技术在实际应用中仍存在许多不确定性，许多技术细节需要解决才能实现大规模商业应用比如制备工艺复杂繁琐，大规模商业应用成本高而且超疏水表面的稳定性一直是个问题，因为超疏水微三维结构在加工和使用过程中会受到冲击，摩擦等外界因素的破坏，从而降低超疏水性能另外，超疏水表面很难清洗，空气中的各种污垢污染超疏水表面时很难清洗，清洗过程会带来机械损伤一方面，目前为止没有更好的解决方案

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