学术干货 | 超疏水那点事儿江雷院士十年经典文献盘点

WaterOff

2018-03-17 02:59:43

谈到仿生材料或者聊到超疏水材料，江雷教授肯定是必聊的话题。

江雷教授在仿生功能界面材料的制备及物理化学性子研究等领域是绝对是名副其实的大牛，在2009年当选中科院院士时，年仅44岁。这不，今年2月份，江雷教授因在超疏水性和亲水性涂层方面的贡献当选为美国国家工程院外籍院士。人生赢家，舍“江”其谁？

在超疏水材料势头不减昔时的今天，我们一路跟着江教授，一路聊一聊超疏水那点事吧！坦诚讲，小编作为外行人，并不能很好地判断哪些是超疏水方面的经典文献。好在稀有据在，帮助小编搜集到了诸多好文并加以整理，如今和大家分享！

小编行使Web of Science核心合集为检索平台，以超疏水为主题检索词，对江雷教授近十年（2006-2016）的SCI论文进行了检索（详细检索式见文末），除去综述文章后，遴选了被引次数≥100，或者年平均被引次数≥20的文章进行了整理和汇总，盼望能给对超疏水感爱好的亲们提供一些便利！

<2006年>

1，一步溶液浸渍法制备加工稳固的仿生超疏水外观

One-step solution-immersion process for the fabrication of stable bionic superhydrophobic surfaces（Adv. Mater., 2006, 18, 6 DOI: 10.1002/adma.200501794 被引=331次期刊IF=18.96）

仿生形态发生技术对合成纳米、微米尺度的无机晶体和有机/无机复合材料十分流行，能够正确控制材料的尺寸、形态、取向、组织和复杂形态。众所周知，形态发生过程已经被用来制造独特的功能性外观，诸如具有自清洁功能的超疏水外观等。超疏水外观的制备方法多样，大多数是对莲花叶片外观的仿生，但都有肯定的局限性，如工作环境受限、材料价格昂贵、耐候性持久性差等。

本文，作者介绍了一种特别很是简易可行的方法，构造了一种环境稳固性强的脂肪酸金属羧酸盐超疏水外观。这种超疏水外观对工业应用十分紧张，对长期以来困扰人们的金属或合金材料的环境污染和锈蚀题目提供了解决方法。作者以铜板为例，只需将铜板或者任何外观覆盖铜的基板，在室温下浸渍在一种多碳脂肪酸溶液中，便可成功在铜板外观生成十分稳固的仿生超疏水外观，其本质上是生成了形似花朵的群簇涂层Cu(CH3(CH2)12COO)2，与水的接触角约为162°。这为工业化生产超疏水外观开拓了一条宽广的道路。

2，可控润湿性和光致变色性的双重相应氧化物薄膜

Controlling wettability and photochromism in a dual-responsive tungsten oxide film（Angew. Chem. Int. Edit., 2006, 45, 8. DOI:10.1002/anie.200502061 被引=127次期刊IF=11.079）

作者通过天真的电化学沉积法制备了一种性能优秀的双外观的功能化的氧化钨薄膜。这种薄膜可以通过交替的UV光照射和阴郁中保存的方法来实如今超疏水和超亲水的可逆性变化。这一征象每每伴随着光致变色征象。

3，双相应外观——超亲水和超疏水性的转换

Dual-responsive surfaces that switch superhydrophilicity and superhydrophobicity（Adv. Mater., 2006, 18, 4. DOI: 10.1002/adma.200501772 被引=193次期刊IF=18.96）

通常，超疏水外观的接触角（CA）大于150度，能够通过调控疏水外观的拓扑形貌；而超亲水外观CA约为0度，能够通过三维或二维毛细效应来实现。文献中有报道过在诸如温度、pH值、光等单一的外界条件作用下，外观的亲疏水性能发生变化的单一相应性，但还没有能够在超疏水和超亲水性之间变化的双相应型外观的报道。

本文中，作者报导了一种具有可调的润湿性的双应激相应型外观，在超疏水和超亲水性之间发生可逆的变化，并同时对温度和pH值具有相应性。作者在平整和粗糙的硅基片外观制备P(NIPAAm-co-AAc)薄膜（即N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚物薄膜）。超亲水性和超疏水性之间的可逆变化，能够在很窄的温度转变范围（约10℃）和很宽的pH值转变范围（约10）中发生。这种双应激相应举动是基于外观化学转变和外观粗糙度转变的结合。在单一的PNIPAAm薄膜只对温度相应性的基础之上，双应激性的P(NIPAAm-co-AAc)薄膜，因为加入了对pH敏感的丙烯酸组分，而对pH值产生了相应性。此外，这种共聚物的低临界共融温度（LCST）随pH的增长时可调的。

4，腐蚀性环境中的稳固超疏水导电聚苯胺/聚苯乙烯薄膜

Stable, superhydrophobic, and conductive polyaniline/polystyrene films for corrosive environments（Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 4. DOI: 10.1002/adfm.200500624 被引=199次期刊IF=11.382）

作者通过简单的静电纺丝的方法制备了具有莲花叶片结构的聚苯胺(PANI)/聚苯乙烯（PS）复合薄膜。在宽pH范围中的酸、碱溶液和氧化性溶液中，这种薄膜能够体现出稳固的超疏水性和导电性。特别的外观成分和外观形貌是产生这种不同平凡性子的紧张因素。苯乙烯组分能够强烈地影响复合薄膜的形貌，而体现出不同的超疏水性和导电性。（注：聚苯胺经掺杂后具有导电性，是一种导电高分子。）

<2007年>

5，仿生研究：分层结构是如何作育水黾腿的超疏水特征

Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: Experiments and analysis(Langmuir, 2007, 23, 9. DOI: 10.1021/la063039b. 被引=155，期刊IF=3.993)

水黾是典型的具有“水上漂”技能的昆虫，能够轻松地在水面上站立或快速行走。本文研究了水黾腿具有疏水性的机理。SEM照片表现，水黾腿上的独特的层状结构，包含着很多的取向的针状微型刚毛，刚毛上具有邃密的纳米凹槽结构。一条腿在水面上的最大支持力可高达152 dynes(达因,施力单位，使质量是1克的物体产生1厘米/秒^2的加速度的力，叫做1达因)，这是水黾身体重量的15倍。作者从理论上证实了，取向的微型刚毛上的纳米凹槽结构，与腿上的蜡质物之间的协同作用下体现出疏水性。这一发现有助于微型水上器件和不润湿性材料的革新和设计。

6，蚊虫复眼仿生：通过软光刻制备具有干式防雾性能的人造“复眼”

The dry-style antifogging properties of mosquito compound eyes and artificial analogues prepared by soft lithography（Adv. Mater., 2007, 19, 17. DOI: 10.1002/adma.200601946 被引=305次期刊IF=18.96）

雾，是在当湿气浓缩、液滴积累成为直径大于190nm或者说大于可见光波长（380nm）的一半时产生的。解决这一题目，可以通过两个途径：1.超亲水途径（接触角CA小于5度）；2.超疏水途径（CA大于150度），以及极低的CA滞后性。目前为止，几乎所有的报道都集中在前一种方法上，例如光学透明涂层等，最闻名的例子是光催化的TiO2纳米颗粒涂层在UV光照照射下变为超亲水性。

最近，行使毛细效应，通过从逐层组装的纳米粒子构造3D纳米多孔结构实现超亲水性。防雾的关键，是行使这种“湿”的策略，使得微米尺寸的雾滴敏捷的铺展成均一的薄膜，从而避免了成核的雾滴对光的散射和反射。

大多数的防雾涂层是透明的，但也有很地方的应用并不必要透明性，例如油漆的溶胀和脱落题目，和金属的外观防锈蚀等。这些题目是因为水分的吸附造成的，超亲水涂层很难在这些领域应用。因此，就必要“干”的防雾策略，也就是行使超疏水技术使得水分或者雾滴无法在外观成核。在仿生学领域，对于莲花叶片的自清洁能力和能在水面行走的水黾腿微观结结构的研究对超疏水外观的设计具有启示作用。基于这种仿生而研发的超疏水材料应用在许多方面，也一向被认为能够作为防雾涂层使用，但根据General Motors的研究注解，莲花叶片能够被雾滴变“湿”，由于雾滴为微米大小，能够掉落在叶片微乳凸之间的闲暇中。这也就注解，同类型的超疏水材料不适合用来解决这种防雾的题目，人必要新的解决思路。

本文，作者报道了一种新鲜的生物型超疏水防雾策略。库蚊的复眼具有理想的超疏水性能，使其能够在潮湿的环境中保持视觉清晰。作者的研究注解，这种超疏水性来自于巧妙的邃密的微米和纳米结构：六方非密堆积（ncp）的纳米尺度的乳突结构，能够防止微米大小的雾滴在小眼的外观凝结；而每个小眼之间为六方密堆积（hcp）能够防止雾滴进入小眼之间的闲暇中。行使软光刻技术，以及对微米和纳米结构外观疏水性的研究，作者制造出了人工的“复眼”。这一成果将有望应用在超疏水防雾涂层中。

7，具有高粘附力的超疏水外观在超顺磁性微液滴输运中的应用

Application of superhydrophobic surface with high adhesive force in no lost transport of superparamagnetic microdroplet（J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6. DOI: 10.1021/ja065537c 被引=249 期刊IF=13.038）

磁性纳米材料与生物分子的结合，在诸如生化星散、药物靶向传递、免疫分析等诸多领域有着广泛的应用，这就对这些小体积液体的可控输运提出了更高的要求。然而难题是：输运材料每每容易在天然接触中吸附在物体壁上，造成通道的污染和堵塞。如许就对永世微通道的液体的输运造成了限定，也就限定了可操作性和容错性；而生硬的转向容易造成湍流和剪切。目前有许多报道通过光、点、磁等多种途径实现了对微液滴的悬停。然而，这些方法操作困难且无法避免疏漏。

作者在多孔氧化铝薄膜模板上制备了成排的PS纳米管层。这种具有强粘附力的超疏水外观正好有能够完全输运微液滴的上风。超疏水外观与水的接触角大于150度，能够避免润湿题目。液滴在这类外观每每保持准球形，从而削减了与固体外观的接触面积，有用避免了液滴的沉积。此外，强粘附力能够使得液滴精准的保持在应有的位置，没有滑动和旋转。作者行使超疏水外观实现了对超顺磁性微升级液体液滴的可逆性定向输运，并且在交变磁场中没有体积损失。

8，超疏水状况的定义

Definition of superhydrophobic states（Adv. Mater., 2007, 19, 21. DOI: 10.1002/adma. 200700934 被引=290次期刊IF=18.96）

本文是作者对超疏水征象的科学定义和说明，是在超疏水PS纳米管薄膜工作的基础上，对一些学术争论题目的理解息争释。是研究人员之间学术观点的交流以及碰撞出火花的产物。

9，焓驱动的超亲水/超疏水外观的三态变化

Enthalpy-driven three-state switching of a superhydrophilic/superhydrophobic surface（Angew. Chem. Int. Edit. 2007, 46, 21. DOI: 10.1002/anie.200700439 被引=103次期刊IF=11.079）

受到天然的启示，作者报道了智能外观，能够在热、光等外界刺激下产生超疏水和超亲水之间的变化。然而，几乎所有的外观变化都限定在熵驱动过程；焓驱动的变化没有被很好的探索和研究。本文，作者介绍了一种通过焓驱动过程实如今稳态超亲水，亚稳态超疏水，稳态超亲水三种状况之间进行变化。这种宏观的外观征象起源于DNA纳米器件的集团活动。这种变化举动能够为理解生物举动提供模型，也为智能外观的设计提供帮助。

10，多重相应性外观超亲水性和超疏水性的变化

Multiresponsive surfaces change between superhydrophilicity and superhydrophobicity （Adv. Mater. 2007, 19,18. DOI: 10.1002/adma.200602334 被引=130次期刊IF=18.96）

具有超亲水性和超疏水性的外观的制备是通过外观粗糙度和外观化学转变的结合。目前有很多智能外观的报道，这些外观能够在温度、pH、光等外界刺激下实现超疏水和超亲水之间的变化。但是在诸如外观活性剂、智能微流体开关、药物输运等应用方面，多相应性材料是必不可少的，也就是要求材料对多重外界刺激均具有相应性。本文，作者报道了一种具有多重刺激相应性的外观，能够在随着葡萄糖、pH、温度的变化而在超亲水性和超疏水性之间变化。

11，超疏水蝴蝶同党的定向粘附性

Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings（Soft Matter, 2007, 3, 2. DOI: 10.1039/b612667g 被引=394，期刊IF=3.798）

作者研究发现，大闪蝶同党具有定向粘附性，液滴在身体中轴线径向向外（RO）的方向容易滚动；而在逆RO方向则被紧紧钉扎在原位。风趣的是，这两种不同的状况能够通过调整蝴蝶同党的“姿势“（朝上或朝下）来变化，也可以通过改变气流经过同党的方向（沿RO或逆RO方向）而调整。作者对这种性子的成因进行了深入的研究和分析。

12，导电的超疏水红毛丹状聚苯胺空心微球

Conducting and superhydrophobic rambutan-like hollow spheres of polyaniline（Adv. Mater.,2007, 19, 16. DOI: 10.1002/adma.200602135. 被引=206次期刊IF=18.96）

近期，微纳尺度的导电高分子空心球十分引人详细。通常，空心球每每通过球形粒子作为模板，例如二氧化硅胶体，PS珠，无机粒子等，随后通过煅烧、溶剂刻蚀等方法移除球心。因为总要移除球心物，因此再现性较差，并且在移除后难以保持本来的有序结构。

本文，作者介绍了能够通过自组装方法制备掺杂的聚苯胺（PANI）空心微球。通常，导电空心微球容易受到湿气、灰尘等环境因素的影响，而超疏水外观与水的接触角大于150度，具有很强的水排斥性，在现实应用中，能防冰雪粘附、交够通工具的自清洁等。作者认为，给具有微纳结构的导电高分子赋予超疏水特征，将十分风趣。

<2008年>

13，花瓣效应-具有高粘附力的超疏水状况

Petal effect: A superhydrophobic state with high adhesive force（Langmuir, 2008, 24, 8. DOI: 10.1021/la703821h 被引=601次，期刊IF=3.993）

红玫瑰花瓣外观具有层状的微乳突和纳米褶皱，这些微纳结构为超疏水性提供了充足的粗糙度，同时也产生了对水的高粘附力。花瓣上的水滴呈现出球形，但将花瓣颠倒后却不易滚落。作者把这种征象称为“花瓣”效应，可与闻名的“莲花”效应类比。作者通过对花瓣外观的模拟，使人工生产的仿生聚合物薄膜外观也具有了清晰的纳米压花结构。

<2009年>

14，设计可调控水粘附性超疏水多空纳米结构

Designing Superhydrophobic Porous Nanostructures with Tunable Water Adhesion（Adv. Mater., 2009, 21, 37. DOI: 10.1002/adma.200900686 被引=208次，期刊IF=18.96）

许多研究正致力行使多孔纳米结构来制造具有可调控的水粘附性超疏水外观。本文作者设计了三种超疏水纳米结构模型，包含有纳米孔阵列（NPA）、纳米管阵列（NTA）和纳米符山石结构（NVS）。基于粗糙度加强超疏水性和毛细作用诱导粘附性的基本原则，这些不同的多孔结构必要创造出具有低粘附力的外观。

<2010年>

15，润湿蜘蛛丝上水滴的定向收集

Directional water collection on wetted spider silk（Nature, 2010, 463, 7281. DOI: 10.1038/nature08729. 被引=384次期刊IF=38.138）

不论是植物照旧动物，其生物膜外观的微、纳尺度的结构特征每每控制着外观与水的相互作用，也即润湿性。天然界中有一个风趣的例子，沙漠中的甲壳虫行使背部微米尺度的图案化的亲水和疏水区域来收集空气中的水分。作者对草间蟱蛛的蛛丝结构及性子进行了详细的研究，作者发现蛛丝具有的特别结构使其在轴节和节点之间具有外观能梯度以及不同的Laplace压力降，两种因素共同导致了在蛛丝的轴节附近能够持续赓续地定向的进行水滴的凝聚和收集。基于对蜘蛛丝研究的启发，作者设计了人工纤维，模拟了蛛丝的结构特点，使其具有定向的水收集性能。

<2011年>

16，曲率驱动下水滴在超疏水外观输运的“钉扎”(Pinned)和“滚落”(Roll-Down)的原位可逆转换

Curvature-Driven Reversible In Situ Switching Between Pinned and Roll-Down Superhydrophobic States for Water Droplet Transportation（Adv. Mater., 2011, 23, 4. DOI: 10.1002/adma.201001688 被引=101次期刊IF=18.96）

本文作者首次报导了一种新鲜的由曲率驱动的原位变化，实现了超疏水外观的钉扎（pinned）和滚落（roll-down）状况的可逆变化。作者行使具有高粘附力的超疏水的PDMS柱形阵列薄膜作为pinned态，而当其曲率增长到特定范围时，粘附力和滑移角开始显明降落，呈现出典型的Cassie超疏水状况。基于这种独特的转换，一个原位的水滴输运“机械手”成为可能。因为多数高分子薄膜柔性大，容易改变曲率，这就为润湿性的控制，提供了一种曲率驱动新途径。

<2012年>

17，微米/纳米结构外观的抗冰性能

Icephobic/Anti-Icing Properties of Micro/Nanostructured Surfaces（Adv. Mater., 2012, 24, 19. DOI: 10.1002/adma.201104412 被引=124次期刊IF=18.96）

人们基于仿生晓畅了生物润湿性的机理，从而制备出了多种多样的超疏水外观。技术的提拔，也使得基于仿生的材料结构的制备越来越邃密。但许多室温下稳固的超疏水性能在低于零度时就失效了。疏水性和抗冰性对于诸如机翼、发电塔、雷达等长久处于低温的器件十分紧张，一旦结冰将难以工作甚至损坏。

近期，一种ZnO纳米毛发组成的外观实现了超疏水和抗冰性同一结合，这重要基于这种材料的纳米结构和低外观能。作者受到蝴蝶同党微-纳结构特征的启发，并结合机械加工和晶体生长，对具同时具有稳固的超疏水性和抗冰性的外观微观结构进行了研究，研究了微米尺度结构和纳米尺度结构对外观性能的影响。

18，静电纺丝法制备具有高油吸附能力多孔结构的纤维薄膜

Electrospun Porous Structure Fibrous Film with High Oil Adsorption Capacity（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 6. DOI:10.1021/am300544d 被引=103 期刊IF=7.145）

通过静电纺丝法制备一种低成本的高油吸附性的PS薄膜。不同的纤维直径和多孔纤维外观拓扑结构在油吸附性能和油水星散中起到紧张作用。作者分别用柴油、硅油、花生油、机油对这种PS薄膜的吸油性能进行了测试，效果注解吸油性能高于通俗的没有多孔结构的纤维吸附剂。即使是很薄的多孔PS薄膜吸附剂同样具有出色的油水星散能力。

<2013年>

19，沸石涂覆的网片薄膜用于高效油水星散

Zeolite-coated mesh film for efficient oil-water separation （Chem. Sci., 2013, 4, 2. DOI:10.1039/ c2sc21772d 被引=95次（平均=23.75）期刊IF=9.144）

油水星散对于越来越多的工业含油废水泄漏和原油泄漏等紧急事件十分紧张。具有特别润湿性的薄膜材料常用于油水的星散。然而，制备高能效和稳固的适合特定油水星散的薄膜仍然是一个挑衅。沸石薄膜独特的气孔性，出色的化学稳固性、热稳固性以及机械稳固性等都十分引人注目。本文中，作者首次展示了沸石涂覆的网片薄膜在重力驱动下的油水星散，实现了对多种不同类型油的高效星散，这是基于沸石外观出色的超亲水性和水下的超疏水性。

20，超疏水和超亲水的PVDF薄膜用于水油乳剂的高通量高效星散

Superhydrophobic and Superoleophilic PVDF Membranes for Effective Separation of Water-in-Oil Emulsions with High Flux（Adv. Mater., 2013, 25, 14. DOI: 10.1002/adma.201204520 被引=173次期刊IF=18.96）

本文，作者介绍了一种简易的方法来制备超疏水-超亲水的聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜，重要行使了在惰性溶剂诱导下发生的相反转征象。这种薄膜可有用星散没有外观活性剂和有外观活性剂存在的水油乳剂，仅需通过重力驱动即可，并且有很高的星散服从。更值得一提的是，该膜具有很高的通量，是商用的高压驱动的滤膜的数倍，且易于循环行使。

21，仿生多功能泡沫具有自清洁和油水星散功能

Bioinspired Multifunctional Foam with Self-Cleaning and Oil/Water Separation（Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 12. DOI: 10.1002/adfm.201202662 被引=113次期刊IF=11.382）

油水星散是一个世界性的挑衅。受到天然界中具有自清洁性的莲花也和多孔生物材料的启示，作者设计制备出了同时具有超疏水性和超亲水性的聚氨酯（PU）泡沫，它密度低、质轻并且超疏水，因此能轻松的漂浮在水上。此外，这种泡沫材料对腐蚀性液体有强排斥性，具有清洁功能和油水星散功能，集多功能为一体。作者盼望，这种低成本的制造工艺能够广泛地应用在多用能泡沫的生产中，以便在大面积油品泄漏的清理中加以应用。

22，盐诱导制备超亲水性和水下超亲疏水性的PAA-g-PVDF薄膜用于油水乳剂的星散

Salt-Induced Fabrication of Superhydrophilic and Underwater Superoleophobic PAA-g-PVDF Membranes for Effective Separation of Oil-in-Water Emulsions（Angew. Chem. Int. Edit., 2014, 53, 3. DOI: 10.1002/ anie.201308183 被引=92次（平均=30.67）期刊IF=11.079）

传统的用于乳化的水油混合物星散的聚合物薄膜每每受到低通量和一系列污染的制约。本文，作者行使盐诱导相反转的方法，设计制备了一种新鲜的超亲水性和水下超疏水性的丙烯酸-偏氟乙烯接枝共聚物（PAA-g-PVDF）滤膜。膜外观分层的微/纳结构赋予了它超亲水性/水下超疏水性的性子。这种薄膜能够在施加很小压力（＜0.3bar）的情况下星散油水乳剂，不论是否有外观活性剂的存在，都具有很高的星散服从和高通量，高于类似商用滤膜两个数量级。这种滤膜还能够很好地的防壅塞并且易于长期的循环使用。

以上便是近年来江雷教授在超疏水领域影响力较高的文献简介。不知道大家对超疏水外观是否有了新的熟悉呢？盼望本文能给必要的小伙伴们提供一些帮助和便利！也请读者同伙们多多指斥指正！

在此，特附上两篇概括性地总结了江雷教授课题组超疏水研究工作成果的Feature Article（1、2），以及2015、2016年江雷教授署名的最新超疏水综述文献，供大家参考。

1，Switchable Adhesion on Liquid/Solid Interfaces（Feature Article）

（Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 21. DOI: 10.1002/adfm.201001208 被引=112次期刊IF=11.382）

2，Special wettable materials for oil/water separation（Feature Article）

（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 8. DOI: 10.1039/c3ta13397d 被引=143次期刊IF=8.262）

3，Bioinspired Surfaces with Superwettability: New Insight on Theory, Design, and Applications（Review）

（Chem. Rev., 2015, 115, 16. DOI: 10.1021/cr400083y 被引=49次期刊IF=37.369）

4，Bioinspired Interfaces with Superwettability: From Materials to Chemistry（Review）

（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6. DOI:10.1021/jacs.5b12728 被引=8次期刊IF=13.038）

本文由材料人编辑部李卓整理编译。

附：本次文献整理所用检索式及引文分析报告截图

检索式：主题: (hydrophobic or hydrophob* or superhydrophobic or superhydrophob*) AND 作者识别号: (B-1066-2011) 精炼依据: DOCUMENT TYPES: (ARTICLE OR LETTER) 时间跨度:（2006-2016）

引文报告截图（检索时间：10月5日）

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