向大自然学习-生物自清洁功能及其应用启示

2016-12-27余奇瑶湖南省长沙市周南中学2015级湖南长沙410000

低碳世界 2016年34期

余奇瑶（湖南省长沙市周南中学2015级，湖南长沙410000）

余奇瑶（湖南省长沙市周南中学2015级，湖南长沙410000）

1 前言

大多数物体表面都会因灰层、油污和生物等的粘附造成清洗困难，带来各种危害。如舰船水下表面污损生物的附着造成腐蚀加重、自重和油耗增加，造成巨大经济损失；城市高层建筑装饰性外墙的雨水和灰尘的富集造成的污染难于清洗，不仅有碍城市景观而且存在安全隐患。为此，需要采用相应的防污涂料对舰船和建筑表面进行刷涂以达到防粘附等目的。然而，当前使用的防污涂料由于释放有毒的物质对海洋环境造成很大的危害，传统外墙建筑涂料也因耐污性差等问题影响其使用效果。因此，开发自清洁功能涂层已经成为当前防污涂料的重要发展方向。

自清洁功能材料的热点之一是受自然界某些生物如荷叶具有超疏水的特性而能够“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的启发，通过模仿生物表面的特征制备相应的涂料，可望解决长期以来困扰人们的舰船、墙体等各种物体表面易被污染粘附而不易清洗的问题，具有重大的研究应用价值，前景十分广阔。本文主要简介自然界中具有超疏水自清洁特性的生物结构特征，并对其在仿生自清洁材料方面的应用提出一些思考。

2 生物的自清洁功能简介

生物在漫长的进化过程中，不断进化以适应环境，已经达到了近乎完美的程度，通过超疏水达到自清洁效果就是其结构不断适应功能的结果。

2.1 超疏水自清洁功能原理

水在大多数固体表面通常呈铺展状态，然而在某些特殊的材料表面上却“滴水不沾”，如我们所熟悉的荷叶上面滚动的水珠。其原因主要就是由于这些表面有我们肉眼无法看见的微小突起，使一些空气被“关到”水与固体表面之间，导致水滴大部分与空气接触，这样就减少了水与固体表面的直接接触面积。相关示意如图1所示。

图1 超疏水结构示意图

由图1可知，水在任何表面都会形成一定的形状而产生不同的接触角，通常的亲水表面上，水呈铺展状态，接触角小于90°；一般的疏水表面接触角仅大于90°，水滴就逐渐呈球状；而当接触角高达150°以上时，水珠可以很自由地在物体表面滚动，如果表面上有一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就能够达到“自清洁”的能力，这种接触角大于150°的表面就称为“超疏水表面”，该类表面具有很强的抗污染粘附能力。

2.2 荷叶的自清洁效果

荷叶、水稻叶等水生植物是自然界常见的超疏水材料，水在荷叶表面的收缩成球状，一方面可以防止荷叶表面被润湿，即具有超疏水效应；同时水可以将荷叶表面的污泥带走，即产生自清洁效应，这种现象引起人们的极大兴趣。研究人员通过对多种植物叶片表面的研究，发现荷叶表面是具有疏水性质和自清洁功能的最典型例子之一，图2是荷叶表面的电子显微镜照片，其表面具有由很多10μm左右乳突，而每一个乳突上存在纳米级的二次结构，简称微纳二级结构。这种粗糙的微纳二级结构以及蜡质表层将使得水滴在荷叶上收缩成一个柱状，而不象在普通表面铺展开来，从而赋予荷叶的“超疏水”和“自清洁效应”。

图2 荷叶表面微结构

2.3 其它生物的超疏水结构

我们常见鸭和鹅在水中嬉戏觅食时，它们的羽毛不会被水打湿，这是因为鹅毛和鸭毛是防水的，这种特性可归因于它们的羽毛上有排列整齐的微米及亚微米尺寸的条形结构，使得其具有良好的疏水性和透气性。同时，这种排列有序的微观结构可以使水滴顺着条带向外侧滚动滑落。

非洲沙漠生活着一种甲虫，其背部分布着许多凸出的超疏水结构，凸起结构之间是亲水凹谷，与荷叶的功能十分类似。当风中的雾气吹至甲虫翅膀时，小小的水珠便在这些小凸块上凝结，当小水珠越长越大，就会落在表面的凹槽中，这样甲虫可以在干旱沙漠中获得水分。

3 超疏水自清洁功能的应用启示

随着对生物自清洁原理理解的深入，人们也开展了相应的超疏水等自清洁功能材料的研究，主要应用在以下方面：

3.1 在建筑领域内的应用

城市高层建筑外墙正在受到严重的侵蚀，随着高层建筑的大量出现，各地开始推行高层建筑限制和禁止使用面砖、幕墙等饰材的政策。因为面砖是一种高能耗产品，不利于节能减排，且面砖和墙体的粘合剂久了会老化，存在破损易伤人等安全隐患；而如果过多使用玻璃幕墙，又将存在光污染、成本高等问题。传统建筑外墙涂料可以美化环境和居室，但是由于传统涂料外墙建筑涂料的耐候性和耐污性差，使得“拖鼻涕”现象严重以及墙面灰尘富集，而高层建筑物的外墙装饰和保护还需要人工采用吊绳或吊筐形式进行高空作业。因此，自清洁功能的防污涂料就是一个很好的选择，可以持久地保持外墙的清洁功能。

3.2 防雨雪粘附

雨雪冰冻天气下，室外天线、光电转换器以及太阳能帆板、风力发电机叶片和传输电线上等容易出现结冰，造成巨大的危害。如2008年我国部分寒冷山区出现的雪灾和冰灾导致电网电线结冰，以致南方多省出现大面积停电的严重后果；风电叶片结冰，不仅增加自重，还会改变叶片速度、材料特性，甩出的冰片还将伤害风机附近的人或物等。如果在不影响其使用特性的情况下，在上述各类设施表面涂敷一层超疏水自清洁涂层，防止水的附着结冰。

3.3 在日常生活中的应用

雾气在固体表面凝结的现象非常常见，这些小雾滴会对光产生折射和反射，给人们的生活带来极大不便，如光学仪器、车窗玻璃、眼镜起雾等现象，而采用超疏水涂层可以使得雾滴不能粘附于镜面上从而达到防雾的效果。

冰箱等制冷设备表面经常会有一层厚重的冰霜，如果在其表面构筑超疏水涂层，则可以减少水滴与表面的接触，延缓水滴凝结时间，起到抗结冰结霜的作用。

在一个平面涂上涂敷具有超疏水结构的涂层，让风吹过表面，水蒸气会在风的作用下，在表面凝结，最终形成较为可观的水量。这种技术最大的特点是不需要能源，若将这种装置安装潮湿的岛礁、船上，就可以方便的收集水分，为海水淡化提供了一种新的方式。

虽然超疏水自清洁涂层在各个领域得到广泛的应用，但也存在一定的不足，如它的除油效果还有待加强、成本还较高，为此研究人员还还开展超疏油涂层，与超疏水进行有效结合，以便更好地防油水粘附达到自清洁的效果。