超浸润材料由于其独特的润湿性能而备受关注，控制外观化学组成和多尺度微纳米结构，是构建超浸润界面材料的关键。

有鉴于此，江雷院士等人对仿生超浸润体系进行了详细而又深入的综述，重要包括超浸润系统的发展历史、设计原则、系统建立、化学与制造、新兴应用等五个方面。

一、历史脉络与系统发展

说起超浸润，应该有几百年的历史了。而近几十年对天然界特别润湿征象的机理研究，使得这一古老的话题重新燃起人们的爱好。

图1. 超浸润系统的历史发展脉络

1805年，ThomasYoung首次提出接触角的概念，来定义外观润湿性。水接触角接近0o的外观可称之为超亲水外观，接触角大于150o的外观可称之为超疏水外观。

1907年，Ollivier首次报道了一种超疏水外观：油烟、石松粉和三氧化二砷材料外观实现接近180o的接触角。

1920年，Langmuir（1932年诺贝尔奖得主）报道了一种单层吸附的有机化合物，可以完全改变固体外观的摩擦和润湿性能。

这些研究，促使研究人员通过化学修饰来控制外观润湿性。

图2. Wenzel理论和Cassie-Baxter模型

1936年，Wenzel提出了一种理论模型，阐述固体外观宏观粗糙度和接触角之间的关系，诠释了外观粗糙度可以怎样加强疏水性。

1944年，Cassie和Baxter将Wenzel模型进行优化，延长到能捕捉固体和液体之间空气的多孔外观和粗糙外观，。

1966年，T.Onda等人通过自下而上的方法在烷基烯酮二聚体膜外观构建微米级粗糙度，首次得到接触角接近180o的人工超疏水外观。

图3. 水滴接触角

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

2001年，江雷等人报道了一种具有纳米尺寸粗糙度的超双疏碳纳米管薄膜。

图4. 水滴和油滴接触角

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

因为对机理熟悉不足，超疏水外观的发展至此有所障碍。直到接下来对天然界疏水征象的机理进行深入理解，才使得超疏水外观得以敏捷的发展，超浸润系统才得以很好的完美。

荷叶效应是天然界最具特色的超疏水系统。据说，最早是在宋朝，中国古代文学家周敦颐的文章《爱莲说》首次描述了经典的荷叶效应：出淤泥而不染，濯清涟而不妖。

图5. 荷叶疏水效应

2002年，江雷等人首次论述了外观微纳米多尺度结构是荷叶效应的关键，是荷叶同时具有高外观接触角和第粘附性的紧张缘故原由。

这使得研究人员对之前的“粗糙度”有了更深刻的理解，也激发了一大批材料学家学习天然，构建各种超疏水外观的爱好。大量的无机材料、聚合物、金属材料都被用于仿生构建超疏水外观。

超亲水，是指水可以在外观敏捷散开并形成完全润湿外观的薄膜的举动，这是和超疏水相对应的另一种极限润湿状况。20世纪90年代曩昔，该领域照旧冷门，并没有多少人感爱好。

人的眼角膜就是典型的生物超亲水外观，可以使眼泪敏捷散开以避免光散射。

1959年，Koontz等人在硅片前处理过程中实现超亲水。

1997年，Wang,R等人行使TiO2的光催化性能在外观产生很多-OH，从而实现了超双亲TiO2外观。

图6. 超双亲TiO2外观

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

对天然界中诸多植物和动物本征润湿征象的发现，加速人工超浸润系统的发展。极限润湿状况的种类赓续增长，合计64种，包括：空气中的超亲油、超疏油、超双亲、超双疏；水中的超亲油、超疏油、超疏气、超亲气；油中的超疏水、超亲水、超疏气、超亲气。通过微纳米结构的刺激相应材料，这些润湿状况可以实现智能转换、

图7. 超浸润系统中的64种润湿状况

二、超浸润系统的设计原则

通过学习天然来诠释生物系统超浸润的机理，是设计和构建超浸润材料最有用的策略。一样平常来说，重要有以下三种仿生设计原则：

1）微纳米多级结构决定材料是否具有超浸润特征；

2）微纳米结构的排列和取向决定润湿状况和液体活动；

3）液体的本征润湿阈值决定液体在粗糙外观的超浸润性能。

图8. 超浸润系统的设计原则

三、超浸润系统

       超润湿材料的设计原则可以扩展到不同维度的界面材料，譬如0D颗粒，1D纤维和通道等。2D效果外观，3D多孔材料以及膜等多尺度功能材料，都可以通过集成不同维度的超润湿材料制备得到。

图9. 超浸润系统多维度材料构建

四、超浸润化学和制造

多种化学反应和微制造过程都发生在气固液或液液固三相界面，反应液体在固体外观的润湿过程对产品质量具有紧张影响。因为三相接触模型的特别性，超浸润外观的化学反应和微制造过程可能会体现出意想不到的举动。

图10. 超浸润化学和制造

五、超浸润系统的应用

超浸润材料因为其独特的润湿性能，以及润湿性能的二元协同或者组合，在自清洁、防腐蚀等日常生活中具有紧张应用，并对社会产生庞大影响。

除此之外，赓续发展的超浸润系统也渐渐拓荒了大量新的领域，包括：防覆冰、防雾、热传递、细胞捕捉、防生物污垢、油/水星散、绿色打印传感以及能源转化。

表1. 超浸润系统的新兴应用

虽然，我们对超浸润系统取得了徐的紧张的熟悉，并构建了一大批材料，实现了一大批应用。但是，仍然存在以下题目亟待解决：

1. 在基础研究上，还必要进一步从分子和原子尺度理解复杂的外观润湿征象，探索新的理论和概念。进一步完美超浸润系统中的64种本征和组合润湿征象。

2. 在现实应用领域，还必要解决一大批目标导向的工业应用，产生庞大价值。

图11. 现实应用系统中，超疏水外观经过机械磨损前后的超疏水性转变

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

更多纳米防水资讯请关注纳米防水微信号: nanowp