生物表面的疏水自洁研究

毕语涵 孙刚 房岩

(长春师范大学生命科学学院 吉林 长春130032)

1 引言

超疏水表面是大自然中一种极为常见的现象,例如蝴蝶的翅膀，水黾的脚，水鸟的羽毛都具有超强的疏水性,荷叶的表面就具有很强的疏水性和自洁净功能，这种特性使得蝴蝶可以在雨中自由飞行,水黾可以在水面滑行而不至于沉没,水鸟的羽毛可以不沾水，人类很早就注意到生物体的这些功能,并意识到这些功能有可能给人类带来意想不到的好处,因此早在60多年前,就有学者开始了固体表面疏水性和浸润性的研究[5]。人们发现自然界许多生物的表面具有自清洁性，当有污染物落到其表面上时，它们能够很轻易地达到自清洁目的，而要想清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力。

所谓的超疏水性是指水滴与固体表面的接触角大于150°[6]。自然界中存在许许多多超疏水的状态，除了Wenzel态，Cassie态，还有Lotus态，Gecko态，以及介于Wenzel态和Cassie态之间的超疏水态[7]。随着人们研究的深入发展，研究学者们发现了更多的超疏水态，例如Cassie渗透浸润态。这种超疏水态不仅具备更大的接触角，而且具有较大的接触角滞后，例如水稻叶片可以让水滴向着植株根茎方向滚落，以便根能收集到更多的水分,水禽类的羽毛可以让水滴沿着羽毛的排列方向运动，而不会全身浸湿等[8]。

2 植物表面的疏水自洁研究

1871 年DeBary[9]首次利用光学显微镜对植物表面上的蜡质进行描述，并对蜡质晶体进行测定。之后不断有人对植物表面进行分析，认为植物表面疏水性与其体表的蜡质有关，很多研究表明植物的许多物理性质都是由表皮薄膜分泌出的蜡质晶体引起，蜡质晶体在表面上的分布和它们特有的化学性质形成了疏水性。1971年Baker和Holloway[10]用扫描电子显微镜对6种植物的叶、果、茎表面进行研究，并对这些植物表面上蜡质晶体的形状等因素进行了描述和比较，认为蜡质晶体的形状、尺寸之间的差异导致了疏水程度的不同。1997年Barthlott等人用土壤和石英灰等9种微粉作污染物对8种植物叶面进行人工污染，然后用天然雨和人工雨进行清洗试验[11]。结果发现，对于疏水性的叶面，落到叶面上的水会迅速收缩成球状滴，叶面经小于50角倾斜后球状水滴即快速脱落而不残留任何污染物，叶面上的毛状体和刻划等微观粗糙结构有利于粉末状污染物的脱附，这种自清洁功能与污染物的尺寸和化学性质无关。而对于具有700接触角的光滑叶面，落到叶面上的水滴收缩成半球状，水滴在叶面倾斜角达到100～300时才发生脱落，且脱落速度相对较慢。对于接触角很小的光滑叶面，落在叶面上的水很快铺展，当叶面倾斜角大于400时水滴才发生部分脱落。植物叶面蜡质材料和微观粗糙结构的综合作用使得叶面对颗粒污染物具有自清洁功能，这被称为“荷叶效应”[12]。

3 动物表面的疏水自洁研究

人们很早就注意到鹅鸭等水禽能在水中游动且羽毛不湿，而另外一些鸟类进入水中后羽毛由于没有疏水性而很快润湿。后来，人们发现水禽的羽毛表面有一层类似油脂的物质，这种油脂要比另外一些鸟类羽毛上面的油脂疏水。中国古代劳动人民借鉴这一点，就利用熟桐油脂,每年定期刷木船，改变木质结构，防止漏水并提高船的航行性能。最早对动物体表的研究报道见于1951年，BoPhilip等人[13]用电子显微镜对普通白色家禽的羽毛进行了研究，认为可能是羽毛的表面形成了一层不可润湿的薄膜，从而导致了疏水性。当时人们普遍认为动物体表疏水是由一层不被润湿的薄膜引起。而后不断有人从不同角度对鸟类的羽毛表面、昆虫翅膀表面、海洋动物与土壤动物的体表进行研究。

中国科学院化学研究所江雷[14]的研究发现，水黾能生活在水面上，站立或快速行走，并不是依靠分泌的油脂所产生地表面张力效应。尽管水黾腿部表面油脂是疏水的，但它所提供的表面张力是非常小的，只可以支撑水黾站立在水面上，却不足以支持水黾在水面上快速奔跑，因为稍微的接触或其他的扰动就会使它沉没。在水黾的腿上覆盖有无数取向的针形的细小钢毛，这些钢毛的长度大部分是50nm,直径从根部的1～3nm渐变至尖部的几百个纳米，在每个钢毛的表面还有更加精细的螺旋的纳米尺度的沟槽结构，正是这种特殊的微纳米结构，使得空气能够被有效地吸附在这些微米钢毛和纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成了一层稳定的气膜，从而阻碍了水滴的浸润，水黾是利用其腿部特殊分级的微纳米结构效应实现了超疏水的属性[15]。允许它在水面上踩出4mm深的水涡也不会刺破水面。对其腿的力学测量表明：仅仅一条腿在水面的最大支持力就达到了其身体总重量的15倍。正是水黾在水面上的这种超强的负载能力，允许它站在水面上，并能快速地奔跑和跳跃，即使在暴风骤雨或湍急的水流中也能行动自如。这一新的发现将有助于指导设计出新型的微型水上机器，比如：不会沉没、低的流体阻力、快速的推进能力、驱动耗能低，不会产生污染与环境友好[16]。房岩等首次比较系统地对蝴蝶翅膀表面的非光滑表面结构的微观形态进行系统分类研究，同时对蝴蝶翅膀表面的疏水性与自清洁性进行了研究，并得出了蝴蝶翅膀非光滑鳞片结构引起了疏水性与自清洁性的结论。并建立了相应的数学模型及方程[17]。

4 研究展望

尽管人们已经提出了一些理论假设和数学模型来解释微细结构粗糙表面对表面润湿性的影响，但它们还存在一些理论和技术上的缺陷，还有许多复杂的情况没有解决。现在的大多数人工表面的制作方法成本高,过程复杂,而且需要使用苛刻的化学条件,或者不能进行大范围制造超疏水表面.仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，从而为工程设计提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生工程实质上就是模仿生命体功能的工程，是自然界中高度学科交叉的实例，它集合了材料、结构、机械原理、计算和控制、设计整合、最优化、功能性和消耗有效性等。但由于条件的限制，目前仅仅是停留在对表面现象及表面形态研究上，而没有对其疏水机理及影响疏水性的各个复杂因素的权重关系进行深入探讨。生物体表面为抵御雨、雾、露,以及尘埃等不利因素的侵袭，经过长期的进化，形成了反粘附、非润湿的超疏水自清洁功能。探讨生物非光滑表面微纳米结构对浸润性质的规律及其机制的影响规律。这为提高仿生材料表面的疏水性和自清洁性能研究提供了新的途径和思路，在材料工程等领域有广阔应用前景。对生物表面的表面效应、尺寸效应、多尺度效应和跨尺度效应的研究将是未来表面研究的发展方向[18]。

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