1.2　具有超疏水特性的自然生物表面

人類(lèi)對(duì)超疏水現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)最早是從自然界開(kāi)始的，如 “荷葉效應(yīng)”蓮屬科葉面、各向差異的水稻葉、“水上溜冰者”水黽、高黏附自清潔的壁虎腳掌等。這些自然生物表面不僅具有疏水、自潔防污、減阻、防護(hù)的功能，還有擬態(tài)、減震、降噪和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。隨著材料科學(xué)研究的進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)代化測(cè)試儀器與分析技術(shù)手段的不斷改進(jìn)，對(duì)生物界表面微觀結(jié)構(gòu)的研究逐漸成熟。通過(guò)對(duì)超疏水表面的研究，分析和總結(jié)“仿生”的必要條件和可能途徑，以期制備仿生超疏水表面提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1.2.1　超疏水蓮屬科葉面

對(duì)生物表面特殊潤(rùn)濕性的認(rèn)識(shí)和研究中，具有“出淤泥而不染”的荷葉表面超疏水自清潔效應(yīng)最早被發(fā)現(xiàn)。滴落到荷葉表面的水會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，在外力影響下（如微風(fēng)、水波）水珠很容易發(fā)生滾動(dòng)，從而將葉片表面的污泥、灰塵等污染物帶走，荷葉表面上吸附的雜質(zhì)被清除，保持葉面的潔凈，如圖1.4所示為“荷葉效應(yīng)”示意圖[19]。

荷葉表面所具有的優(yōu)異疏水性能和非凡的自清潔功能被稱(chēng)為“荷葉效應(yīng)”（lotus effect）， 這種特殊的自清潔效應(yīng)引起了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)蓮屬科（Nelumbo nucifera）葉面的廣泛關(guān)注，如：Barthlott & Neinhuis 1997[20]；Neinhuis & Barthlott 1997[21]；Feng et al.2002[22]； Wagner et al.2003[23]； Bhushan & Jung 2006[24]；Burton &Bhushan 2006[25]；Koch et al.2008，2009[26，27]。研究發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)蓮屬科葉表面是由無(wú)數(shù)個(gè)被稱(chēng)為乳突的基本單元組成的粗糙微結(jié)構(gòu)表面，每個(gè)單獨(dú)的乳突是由亞微米級(jí)三維立體蠟狀物質(zhì)組成。這些蠟狀物質(zhì)多以微管型存在，但也有諸如盤(pán)狀型的蠟狀物質(zhì)存在于其他植物葉面上[26，27]，如圖1.5所示。

分析認(rèn)為這些微觀分級(jí)結(jié)構(gòu)[22，24，25]可有效促使空氣存留在微結(jié)構(gòu)底部，而水滴在納米結(jié)構(gòu)的蠟狀物質(zhì)上存在，從而有效地保證超疏水和自清潔效應(yīng)。也有研究認(rèn)為幾乎所用的超疏水自清潔葉片都是由分級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)組成的[21，27，28]，水在此類(lèi)表面上形成近乎球形的水珠，從而可以有效地減少與表面的接觸面積，降低黏附力[29，30]。

1.2.2　各向差異超疏水水稻葉表面

水滴在水稻葉面上呈現(xiàn)近乎球形的水珠，其接觸角可以達(dá)到157°以上，但水珠在其表面的運(yùn)動(dòng)明顯有別于荷葉：在沿著平行于葉脈方向上水珠易于發(fā)生滾動(dòng)，而在垂直于葉脈的方向上較難滾動(dòng)，如圖1.6所示。通過(guò)對(duì)其表面的微觀形貌研究表明，水稻葉面上存在著類(lèi)似于荷葉表面的乳突結(jié)構(gòu)，與荷葉不同的是，乳突在水稻葉片上沿平行于葉片邊緣方向呈有序排列，而沿著垂直于葉片邊緣方向則呈無(wú)序排列（荷葉表面的乳突呈無(wú)序排列，沒(méi)有明顯的指向性）。這種特殊的排列結(jié)構(gòu)使水滴在葉脈方向上比垂直葉脈方向上易于發(fā)生滾動(dòng)。對(duì)乳突的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些微米級(jí)的突起物是由納米級(jí)的針狀物質(zhì)組成的，其直徑在30～50nm之間，這些納米級(jí)針狀物在乳突上形成三維微結(jié)構(gòu)，通過(guò)微米級(jí)乳突與納米級(jí)的針狀物組成微/納二元三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，使空氣易于存留在葉片表面，形成水稻葉面上的超疏水特性[32，33]。

1.2.3　水黽腿表面

水黽的腿具有穩(wěn)固的超疏水性能，使其可以輕易地在水面上站立、快速移動(dòng)、跳躍和行走。水黽站立在水面上時(shí)，受自身重力影響，在腿部壓力的作用下會(huì)在水面上形成漩渦，漩渦的深度可以達(dá)到4.38mm[34]，水面也不會(huì)被刺穿，如圖1.7所示。研究發(fā)現(xiàn)，水黽腿部不僅不會(huì)被潤(rùn)濕，而且具有超高的承載能力，每個(gè)腿部在水面上產(chǎn)生的壓力可以達(dá)到3399.13×10-6N，約等于其自身重量的17倍的支撐力[35]。對(duì)水黽腿部的微觀形貌進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，水黽的腿部是由無(wú)數(shù)微米級(jí)針狀剛毛組成，單個(gè)剛毛表面由許多納米級(jí)精細(xì)凹槽組成。通過(guò)這種微米級(jí)剛毛和納米級(jí)凹槽組成的三維粗糙結(jié)構(gòu)可以促使空氣被有效地吸附在這些縫隙中，從而在水黽腿部形成穩(wěn)定的氣腔，這種微/納米結(jié)構(gòu)與表面蠟質(zhì)物質(zhì)的共同作用有效地阻礙水滴對(duì)水黽腿部的潤(rùn)濕，賦予水黽腿部非凡穩(wěn)固的超疏水性能[36]。

1.2.4　高黏附超疏水壁虎腳掌面

人們對(duì)壁虎的關(guān)注在于其攀巖爬壁的本領(lǐng)，但很少有人注意到壁虎腳底的超疏水性。Full等[37]的研究報(bào)道揭示了壁虎腳掌特殊黏附力的產(chǎn)生原因，研究發(fā)現(xiàn)，壁虎的每只腳底面大約存在50萬(wàn)根極細(xì)的軟性剛毛，每根剛毛末端附帶有400～1000根數(shù)量不等的更為細(xì)小的納米絨毛分支，這些絨毛直徑為0.2～0.5μm，如圖1.8所示。

這種微/納米分級(jí)結(jié)構(gòu)使得剛毛得以近距離接觸物體的表面，從而在接觸面的表面分子與剛毛之間產(chǎn)生“范德瓦耳斯力”。雖然單根剛毛產(chǎn)生的力很微小，但50萬(wàn)根剛毛積累起來(lái)的力已足以支持壁虎自身的重量，從而實(shí)現(xiàn)其攀巖爬壁的本領(lǐng)。2002年，Autumn教授[38]第一次發(fā)現(xiàn)和報(bào)道了壁虎腳的表面擁有超高疏水性，壁虎腳上那些由天然角質(zhì)剛毛聚集而成的整體表面，具有接觸角可達(dá)160.9°的超疏水特性。正是壁虎腳掌具有的這種分層微觀結(jié)構(gòu)不僅賦予高黏附力攀巖爬壁，而且保證其具有自潔凈效果，避免接觸物體對(duì)其腳掌的污染[39]。

除此之外，自然界還存在許多超疏水表面，如玫瑰花瓣[40]、蟬翼[41]、蛾蟲(chóng)的眼睛[43]、蝴蝶翅膀[42]、蚊子的眼睛[43]、芋頭葉面[31]、印度美人蕉葉面[31]、紫竹梅葉面[31]、杠板歸葉面[31]、苧麻葉面[31]、西瓜表面[31]等，由其SEM形貌圖可見(jiàn)（圖1.9～圖1.18），其表面微觀結(jié)構(gòu)均存在微/納米粗糙結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這些表面的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，表面微/納米粗糙結(jié)構(gòu)和表面存在的蠟質(zhì)物是這些表面具有超疏水性的重要因素。