【应用案例】自然界中的超疏水材料的应用

超疏水表面被定义为当从液固界面到液汽界面测量时，使驻留的水滴呈现大于150°的明显前进或后退接触角的衬底。由于低液滴表面附着力，以低接触角迟滞和滚脱角为特征，超疏水表面在自清洁、防雾、防污、防腐、抗菌、防结冰、增强冷凝、能量收集和减阻等方面有许多用途。一般来说，表面能低、涂层一致性高、缺陷少、粗糙度高，水滴的表观推进接触角大、滞后小、超疏水性强。

由于其超低表面能(≈10 mJ/m2)，全氟或烷基基合成化学品通常用作保形疏水涂层，以获得高本构接触角(> 90°)。由于加工成本、材料成本、有机硅烷和氟化合物排放的毒性和环境危害，替代疏水涂层已经开始被大量研究。除了健康和环境问题外，氟碳聚合物的加工既困难又昂贵。因此，寻找这些疏水化学物质的替代品是非常必要的。

在Seyed等人的研究中，开发了两种疏水和超疏水涂层方法，采用替代的非氟化和非有机硅烷合成化学品，基于天然衍生化合物，提出了两种可替代有机硅烷基烷基和全氟合成化学品的环保、无毒、廉价的功能性涂料。

图1. (a)铜基纳米结构的制造步骤和(b)在(a)表面上天然疏水化学物质的应用方法，以及相应的推进接触角图像。

如图1为纳米氧化铜薄膜的合成过程以及超疏水涂层的接触角图像。使用接触角测量仪测量所有样品上≈100 nL液滴的接触角。在每个样品上的五个点测量前进和后退的接触角，并取平均值。所有接触角数据采用图像处理软件，采用圆拟合方法进行分析。

采用机械磨损法和不同pH条件下对液相沉积的肉桂酸和肉豆蔻酸样品进行了耐久性测试。每个循环后测量接触角，以观察磨损对涂层表面的影响。

图2. 不同浓度(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆酱酸沉积的硅片、刷镀Cu和CuO表面上的进退接触角测量。在最佳浓度为8% wt /vol时，测定了肉桂酸涂层(a, e)上的超前接触角。分别为64.1±5°和154.2±2°，后退接触角分别为33.6±4°和151±3°。在最佳浓度为4% wt /vol时，测定了肉豆蔻酸涂层(b, f)上的超前接触角。分别为88.4±5°和165±2°，后退接触角分别为61.6±4°和164±2°。插图:涂有(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆蔻酸的每个表面上后退的液滴形状的图像。注意，停留在刷镀铜表面的液滴处于温泽尔润湿状态，由于对微观结构的钉住，导致明显的后退角为零。

图2显示了光滑Si、微结构Cu(拉丝)和纳米结构CuO基底上的接触角随肉桂酸和肉豆酱酸浓度的变化。光滑硅片上的接触角(图2a,b)随着酸浓度的增加而增加，并且在肉桂酸(≈60°)和肉豆酱酸(≈85°)的固有推进接触角处达到饱和。在刷镀铜基底上(图2c,d)，沉积的液滴呈现Wenzel润湿形态，对肉桂酸(≈120°)和肉豆汁酸(≈145°)均形成疏水状态。刷镀Cu表面的Wenzel液滴形貌导致两种化学反应的接触线钉住和较低的表观后退角(≈0°)。

在这项研究中，开发了两种方法来实现疏水性或超疏水性，利用液相沉积天然衍生的肉桂酸或肉豆蔻酸。通过对沉积浓度、时间和温度的详细研究，开发了光滑金属氧化物和金属氧化物微/纳米结构的最佳沉积方法。超疏水氧化铜纳米结构表面对肉桂酸和肉豆蔻酸的明显推进接触角分别高达154°和165°，接触角滞后较小(< 15°)。这项研究为能源和水应用的超疏水表面制造提供了一种更安全、更环保的新途径。