“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”是北宋思想家周敦颐对荷叶寄情于景的描绘。叶片上的污泥在雨滴的拍打下纷纷滚落的现象，也被归纳为自清洁效应或荷叶效应（Lotus effect）。2002年，中国科学家江雷研究员领导的团队首次证实，荷叶表面除了传统认识中的微米级突起结构，还存在相当可观的纳米粗糙结构。而此类微/纳米复合粗糙结构，正是构建稳定超疏水界面的关键要素。时至今日，经过几代材料人的努力，此类超疏水材料的设计原理已经被深度揭示及广泛验证。简单来说，（1）材料界面的微米/纳米复合粗糙结构和（2）低表面能的界面化学组成协同地实现了界面的超疏水性质。不光在传统的防水防污领域，此类材料在多相分离、防冰除雾、高效催化以及增强冷凝等领域都展现出极强的应用潜力。目前，针对超疏水材料的创新与发展，主要集中在耐久性提升、功能性增强、制备成本降低等方面。
为进一步提升超疏水界面的功能，天津大学化工学院曹墨源团队联合中国科学院理化技术研究所吴雨辰团队，以商品化硅橡胶（聚二甲基硅氧烷，PDMS）为媒介（“胶水”），成功建立了对几乎任何微/纳米尺度粒子（“粉末”）都适用的超疏水界面构建方法——“胶水+粉末”法。作者选取了17类常见的功能微/纳米粒子作为研究对象，包括金属颗粒、金属氧化物、非金属氧化物、高分子材料等，证明了此超疏水化方法的普适性和高效性，进一步借助所选用纳米粒子的特殊性质，实现了多功能超疏水界面的设计及构建（图1）。相关成果近期发表在Cell Press旗下材料学旗舰期刊Matter 上。
图1. “胶水+粉末”法普适性超疏水界面的制备工艺。图片来源：Matter
文中报道的实验方法简便、快捷，在制备中最大程度地限制了有机溶剂的使用。同时，在涂层固化的过程中，表面吸附的颗粒进行自组装，形成超疏水界面所需的微/纳米粗糙结构。而底层的硅橡胶也将在毛细力的牵引下主动包覆上层的微/纳米粒子，完成原位的颗粒疏水化处理。因此，此方法在微/纳米粒子选取的时候，无需考虑粒子的本征亲疏水性质，仅考虑粒子的原始尺寸，较大程度地扩宽了超疏水界面制备材料的选择范围。表面元素分析证实，固化后铜微米颗粒的上表面出现硅元素信号，说明了硅橡胶的向上迁移（图2a-2c）。通过统计分析，“尺寸越小、表面越糙”的纳米粒子可以实现更佳的超疏水性质。通过简单的研磨处理，就可以将原本疏水性不理想的普鲁士蓝粉末界面“进化”为具有小于10°滚动角的普鲁士蓝微米粒子界面（图2d）。而在疏水性方面，具有聚集结构的纳米级粒子界面（图2f）普遍性地优于微米粒子界面（图2e）。
图2. “胶水+粉末”超疏水制备方法的机理及参数研究。图片来源：Matter
基于此方法优异的普适性和可靠的疏水性，研究人员通过使用不同功能的微/纳米颗粒粉末，实现了多功能性的超疏水界面制备。例如选择具有导电性的多壁碳纳米管颗粒，实现了超疏水电热界面以及超疏水力学传感器的构建。如图3a-3c所示，通过外加50V直流电压，超疏水涂层可以在短时间内加热，并且保持优异的疏水性质。通过将此涂层处理在柔性PET基底上，可以通过对电阻的考察，对界面材料的内外弯曲程度进行监控，为将超疏水材料应用于柔性器件提供了可行方案（图3d-3f）。
图3. 基于多壁碳纳米管的导电超疏水涂层。图片来源：Matter
通过对引入颗粒的尺寸进行筛选，选择相对尺寸较大的颗粒，可以快速制备得到具有超疏水/高黏附性的功能界面，并应用于界面微小液滴操控。图中展示了利用普鲁士蓝颗粒和木质纤维颗粒制备的超疏水/高黏附界面，并探讨其潜在的机理（图4）。相较于纳米粒子制备的界面，微米粒子界面与液滴的接触面积明显增大，从而产生较为明显的液滴黏附力。
图4. 超疏水/高黏附界面的设计与功能。图片来源：Matter
通过引入具有pH响应性的颗粒，可以实现超疏水界面对于不同性质液滴的响应性操控。利用具有两性的壳聚糖粒子和铜微米粒子制备的超疏水界面，可以快速响应酸碱性液滴（图5）。因其硅橡胶对微米级粒子的包覆并不完全，当液体与嵌入粒子长时间接触时，在化学能释放的推动下，液体与界面产生浸润，从而改变了超疏水界面的性质。以此为基础，可以设计出快速鉴定酸碱性液滴的超疏水界面，如图5c所示，中性液滴可以快速从铜微米粒子界面上滚落，而酸性液体在几经碰撞后将滞留在此超疏水界面之上。
图5. 具有pH响应性的超疏水界面的设计及功能。图片来源：Matter
除了上述基于单一种类粒子的超疏水界面设计，此方法也适用于层层堆积式的多功能超疏水界面构建。研究者通过在刚性薄片上先制备一层具有磁响应性的钴粒子超疏水界面，再重复此方法，在其上层制备一层夜光粒子超疏水界面，实现了具有磁控能力的夜光漂浮体。源于超疏水材料的拒水能力，所制备的双层涂层可以使刚性薄片在水面稳定漂浮，并在黑暗环境中显示出明亮的绿色荧光（图6）。
图6. 双层多功能超疏水漂浮体的设计及构建。图片来源：Matter
总结
发展简便、普适、环境友好的方法制备高性能、多功能的超疏水界面，一直是此类材料研究的重要方向。本项工作中，研究者利用本征疏水的商品化硅橡胶，在其表层嵌入不同的功能微/纳米粒子，实现了多种超疏水界面的设计、制备以及功能应用，展示出优秀的普适性。不同于之前研究中的制备思路，所应用的微/纳米粒子无需表面疏水化处理，仅依靠于其自身的较小尺寸便可实现可靠超疏水性质。可以说，研究者利用薄薄一层硅橡胶，搭建起纳米粒子与超疏水界面之间的桥梁，为新兴超疏水界面的设计提供了高效的方法，也同样为功能纳米粒子的应用提供了新的领域。
文化小贴士
“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”这一千古名句。前半句话的意义大家非常明晰，但后半句的意思到底是什么？课本中的解释多为：清水洗涤之后不显得妖艳。这明显属于“古文到白话文的”直译，并没有很好的解释这一现象的本质。何谓不妖？本文作者也从超疏水界面角度对此名句做了个人的解释。古人认为，环佩叮当，浓妆艳抹是一种“妖”。一个女人，如果耳环、金钗、发饰过于隆重，便会给人一种妖艳的感觉。液滴便是植物的首饰和点缀，“梨花带雨”类似的液滴挂在树梢、叶片、花瓣上的现象，正如一个妖艳的少女。反观荷叶，在清水冲刷后后不会粘附任何的液滴，永远的淡妆素裹，一副高洁平实的样子，此之谓不妖也。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Surface-Embedding of Functional Micro-/Nanoparticles for Achieving Versatile Superhydrophobic Interfaces
Zhe Li, Moyuan Cao, Peng Li, Haoyu Bai, Yuchen Wu, Lei Jiang
Matter, 2019, DOI: 10.1016/j.matt.2019.03.009
导师介绍
曹墨源
https://www.x-mol.com/university/faculty/64304
注：Matter 首刊将于北美时间7月10日正式发行，敬请关注
（本稿件来自Matter）
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