功能性超疏水表面的构建及其应用进展

郑龙珠，苏晓竞，2，李红强，官航，古孜努尔·阿巴白克力，冯海洋，韦业，赖学军，曾幸荣

（1华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640；2东莞理工学院材料科学与工程学院，广东东莞523808）

在经过漫长的进化后，自然界中的绝大多数生物都形成了接近完美的机体结构和极强的环境适应能力。在不断向自然界探索和学习的过程中，人们发现荷叶、水稻叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等动植物的部位均具备超疏水特性[1-2]。一般将水接触角大于150°且滚动角小于10°的固体表面称为超疏水表面。近年来，随着科学技术的快速发展，超疏水表面在制备技术及应用方面的成果显著，多种超疏水材料被相继开发出来，并在高楼大厦等外墙玻璃的自清洁、金属和建筑物等外表面的防腐蚀、织物的防污防水、工业含油废水和海洋石油泄露的油水分离及防覆冰、减阻、防雾等领域中展现出重要的实际应用价值[3-7]。然而，随着现代工业和人工智能的快速发展，单一的超疏水性已难以满足材料在严苛环境和新兴领域中的使用要求。因此，科研工作者在设计和构建超疏水材料时，不仅需要使其表面具备超疏水性，还应同时赋予其可修复性、透明性、导电性等至少一种功能，这样可以有效延长材料的使用寿命并拓宽其在柔性电子、快速融冰融雪、液滴操纵等新兴领域中的应用范围[8-10]。

本文首先介绍了超疏水表面的基本原理，然后综述了近年来功能性超疏水表面在可修复、可拉伸、透明、磁性、导电、非对称浸润性等特殊功能方面的研究及应用进展，并对其在实际应用中所面临的挑战和未来发展方向进行了展望。

1 超疏水表面的基本原理

十九世纪初，Young提出了基于结构均一且绝对平滑的固体表面的Young’s方程，如式(1)所示[11]。

式中，θ为固体表面的静态接触角；γsv、γsl和γvl分别为固-气、固-液和气-液界面的表面张力。当θ＞90°时，材料表现为疏水性，反之则表现为亲水性。

然而，绝对平滑的理想固体表面并不存在，因此Wenzel[12]对Young’s方程进行了修正。他认为当液滴位于粗糙固体表面上时，会排出粗糙结构空隙间的空气并填满凹槽，如图1(a)所示，粗糙表面的接触角和粗糙因子r呈正相关，如式(2)所示。

式中，θw为Wenzel模型中的表观接触角；θ为Young’s模型中的静态接触角。由于固体表面不可能绝对平滑，所以r通常大于1。

由Wenzel方程可知，当θ＜90°时，θw随r的增大而减小，即表面亲水性增强；而当θ＞90°时，θw随r的增大而增大，即表面疏水性提高。但当固体表面足够粗糙时，液滴无法克服在粗糙表面铺展过程中的能垒，会导致体系处于亚稳态，这种情况下Wenzel方程则不再适用。

Cassie和Baxter[13]在Wenzel模型的基础上进一步提出了Cassie模型。该模型认为，液滴在固体表面粗糙结构上不能完全排出凹槽内的空气，它同时位于固体和气体表面上，形成气-液和固-液复合接触面，如图1(b)所示，其方程表示为式(3)。

式中，θc为平衡时的表面接触角；fsl为水滴与固体的接触面积分数。

式(3)称为Cassie-Baxter方程。很明显，随着固-气接触面积的增大，材料表面的接触角会大幅增加。当水将凹槽内的空气完全排出，即fsl=1时，式(3)转化为Wenzel方程。

图1 超疏水表面的经典模型[12-13]

在实际生活中，材料表面润湿性普遍介于Wenzel和Cassie两个模型之间[14]。通过选用低表面能材料并构筑表面粗糙结构，可以达到调节润湿性的目的，从而为超疏水表面的制备提供关键性技术指导。

2 功能性超疏水表面

1997年，德国植物学家Barthlott和Neinhuis[15]发现荷叶的超疏水性是由其表面的微纳粗糙结构和低表面能的蜡质化合物共同作用产生以来，引起了世界范围内的广大科研工作者对超疏水表面的研究热潮。据谷歌学术和中国知网统计，目前每年发表的与超疏水相关的学术论文仍有约3000篇，大量的超疏水表面被构建出来，在油水分离、自清洁、防覆冰等领域都得到了重要应用。同时，为了满足柔性电子、人工智能、快速融冰融雪、液滴操纵等新兴领域的需求，具有可修复性、可拉伸性、透明性、磁性、导电性、非对称浸润性等功能的新型超疏水表面也陆续被报道出来，进一步拓宽了其应用范围，下文分别对其进行阐述。

2.1 可修复超疏水表面

自然界中的生物体具有独特的再生修复功能，当机体某部分受损时，其在一定条件下可恢复为原始状态。通过模仿生物体，使超疏水表面具备可修复性，可以有效延长其使用寿命[16-18]。因此，无论是从科学理论还是实际应用的角度来看，可修复超疏水表面的研究均具有重要意义。目前，超疏水表面的修复主要是通过低表面能物质的迁移和粗糙结构的重造来实现的[19]。

例如，Zhu等[20]在玻璃基底上依次沉积聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）和1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（POTS），制得具有自修复功能的超疏水涂层，其接触角为156°，滚动角小于10°。该涂层经O2等离子体破坏处理后，在室温放置20h，POTS链段会自发地向表面迁移，补充被破坏的低表面能物质并恢复表面超疏水性。涂层的自修复过程具有湿度依赖性，在湿度为84%的条件下，其修复可在2h内加速完成。由此可见，该涂层在室温下的自修复过程较慢，通常需要合适的外界刺激来加快其自修复的速度。

超疏水表面在实际使用过程中容易受到锐器划切造成结构损伤，严重影响其使用性能。Wu等[21]将导电的银纳米线（AgNWs）和银纳米颗粒（AgNPs）沉积到具有热修复能力的聚已内酯/聚乙烯醇（PCL/PVA）组装复合膜上，然后在其表面修饰全氟癸基硫醇（PFDT），构建出可修复的超疏水薄膜。当薄膜被划伤后，向其通电或照射近红外光，薄膜能将电或光转化为热能，促使底层PCL/PVA的分子链运动而使薄膜修复，并带动上层的银纳米线层重新连接，最终使表面的超疏水性能得到修复。但是该材料的整体愈合需要大量转化的热量，因此对于材料大尺寸损伤的愈合效果不佳。

如何同时实现材料力学性能和表面超疏水性的修复，是可修复超疏水材料在实际应用中的一个难点。Qin等[22]在海藻酸盐气凝胶表面原位生成AgNPs，再采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和十八胺（ODA）对其进行低表面能修饰，制得自修复超疏水气凝胶，其制备和修复过程如图2所示。由于邻苯二酚-铁的动态配位作用及热诱导的ODA重排，该气凝胶在划伤或切开后，可通过润湿或加热的方式实现超疏水性和力学性能的修复，且在经O2等离子体处理后，气凝胶的表面超疏水性仍可实现修复。该气凝胶在受到破坏后易于修复，可以同时实现材料表面及本体的修复，具有重要的实际应用价值。

图2 自修复超疏水气凝胶的制备及修复[22]

目前大多数可修复超疏水表面很难实现在室温下的快速修复，需要辅助温度、光照等手段加速其修复过程[23]，因此制备可室温自修复的超疏水表面是重点研究方向之一。此外，为了获得良好的自修复效果，还可以考虑将不同的修复机制引入到同一体系中，制备出能够实现大尺寸损伤以及低温、酸、碱等苛刻环境下修复的超疏水表面。

2.2 可拉伸超疏水表面

超疏水表面的粗糙结构容易在力学形变下受到破坏，严重时甚至失去超疏水性。而可拉伸超疏水表面是指表面在受到拉伸或扭曲变形时均能保持超疏水性。其中，可大幅拉伸的柔性超疏水表面在极端机械形变下工作的防水服、电子皮肤和传感器领域中具有巨大的应用潜力[24-26]。

Gao等[27]通过静电纺丝技术制得热塑性聚氨酯纳米纤维（TPU），再在其表面依次组装石墨烯和疏水纳米二氧化硅（SiO2），制备出可拉伸的超疏水纤维膜。该纤维膜在酸、碱及盐水介质中均能保持良好的稳定性，且纤维膜具有拉伸性，其在拉伸应变为100%时仍保持表面超疏水性。将该纤维膜作为应变传感器使用，可对各种人体运动做出响应。但由于纳米颗粒与石墨烯之间的相互作用力较弱，该纤维膜的耐用性和表面稳定性还有待提高，灵敏度也相对较低，最大应变系数（GF）仅为5.9。为了解决上述问题，该课题组[28]进一步采用聚多巴胺（PDA）对组装了石墨烯的聚氨酯纳米纤维进行改性，再采用PFDT对其进行疏水化修饰，制备出可拉伸的超疏水纤维膜。该纤维膜同样对酸、碱及盐水表现出良好的拒水性，并在拉伸应变为100%时保持表面超疏水性。相比于SiO2/石墨烯/TPU复合纤维膜，该纤维膜在用作应变传感器时展现出较好的灵敏度和循环稳定性，并在100%应变范围内的GF可达21.0，能精确检测人体运动的全过程。这是因为PDA分子作为黏合剂，显著增强了石墨烯片层间以及石墨烯与TPU纳米纤维间的界面相互作用，从而改善了石墨烯/TPU纳米纤维膜的力学性能。图3为可拉伸超疏水纤维膜的制备示意图及其在不同拉伸应变下的表面形貌图。此外，Wang等[29]以氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）和SiO2纳米颗粒为原料，将其混合物喷涂于橡胶基底表面，制得可拉伸的超疏水涂层。其中，SEBS作为黏合剂，将SiO2牢牢固定在橡胶基底上。在拉伸应力作用下，涂层产生大量裂纹，表面粗糙度保持稳定或略有增加，因此该涂层在0～500%的拉伸应变范围内均可保持表面超疏水性，且以200%应变拉伸1000次后仍能保持超疏水性。

由此可见，超疏水表面的可拉伸性不仅与所选用的基体材料的弹性有关，而且与基体材料和表面的疏水性物质之间的界面结合力有关，只有两者都满足的情况下，超疏水表面才具备可拉伸性。但目前所报道的可拉伸超疏水表面的最大拉伸应变还相对较低，通常低于100%，在更大的拉伸应变下表面极易受到破坏。如果以低表面能的高弹性材料为基体，利用3D打印技术构建出具有微纳结构的一体化超疏水材料并使之固化或硫化，则有望实现表面超疏水性和高拉伸性的完美结合。

图3 可拉伸超疏水纤维膜的制备示意图和不同拉伸应变下的SEM图[28]

2.3 透明超疏水表面

透明超疏水表面兼具抗水滴黏附性和优异的透光性，可应用于建筑物幕墙、门窗、交通工具、光学仪器和太阳能电池板等方面。一般来说，超疏水表面的构建需要有足够的粗糙度，但表面结构越粗糙，其对应的光散射就越强，透光性也会相应降低。通过精准控制材料的表面粗糙度，可实现粗糙结构表面的透明性，制备出透明超疏水材料及表面[30-32]。

Lin等[33]采用快速激光直写技术在玻璃表面构造周期性排列的微突结构，可以保证足够的未加工表面以获得高透明性，随后调节激光刻蚀参数在微突表面引入纳米粗糙度，再采用气相沉积法将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFOS）接枝到玻璃表面，制得透明超疏水玻璃。该玻璃表面的静态接触角为161°，滚动角小于2°，在近红外光和可见光区域的透光率为92%，并表现出优异的抗水滴冲击性和耐高温性。图4展示了该透明超疏水玻璃的表面形貌、静态接触角和透光性。虽然通过激光刻蚀直接在基材表面构造精准粗糙度的方法可得到性能优异的透明超疏水材料及表面，但这种方法需要特殊设备，且费时费力，不适合大规模生产。

图4 透明超疏水玻璃的表面形貌、静态接触角和透光性[33]

为了实现透明超疏水材料的快速制备，Gong等[34]首先采用激光刻蚀法制得呈微米柱排列的不锈钢模板，再将PDMS预聚物倒入该模板中进行固化并剥离，制得透明超疏水PDMS膜，其透光率达91%。虽然所得到的不锈钢模板可以重复使用，但该方法仅适用于能在模板表面固化成型的基材，进而复制模板表面的粗糙结构。因此，该方法对玻璃、薄膜等形状固定的基材并不适用。

为了得到精准的分级粗糙结构，Jang等[35]以粗糙砂纸为模板，结合部分遮挡的方式在模板表面形成紫外光固化聚合物层，随后将模板剥离，并用溶剂洗涤未固化部分，再采用聚四氟乙烯（PTFE）修饰固化聚合物表面，构建出透明超疏水薄膜。该薄膜表面具有规整的微米级突起，且每个突起顶部都具有砂纸表面的粗糙结构。因此，所得到的薄膜接触角可达172°，透光率为84%，且具有良好的耐盐性、抗水滴冲击性和耐弯曲变形性。总的来说，该方法虽然可以避免激光等特殊设备的使用，但其制备过程较为繁琐，对实验操作的精确性要求较高。

虽然文献所报道的透明超疏水材料及表面兼具良好的疏水性和透明性，但是其制备方法较为复杂且需要特殊设备，不利于大规模的推广和应用。此外，用于汽车挡风玻璃和后视镜的超疏水涂层及表面除了需要具有高透明性之外，还要有优良的户外耐久性，而目前设计并制备同时具有超疏水性、透明性和户外耐久性的表面还面临一些技术难题。

2.4 磁性超疏水表面

采用四氧化三铁（Fe3O4）、羰基铁等颗粒制备的磁性超疏水表面兼具超疏水性和磁性，超疏水性可以保证磁性材料在潮湿、酸碱等环境下发挥稳定的电磁屏蔽作用，而磁性可以用于操纵超疏水材料的定向油水分离、液滴传送及润湿性变化等[36-39]。

本文作者课题组Su等[40]首先将聚酯织物浸泡在经氟硅烷修饰的四氧化三铁（F-Fe3O4）和PDMS混合液中，随后在磁场作用下进行固化，制得一面呈Cassis状态而另一面呈Wenzle状态的磁性超疏水织物。在磁场力的驱动下，该织物不仅可以实现定向油水分离，还可用于液滴的无损失传送，具有操纵简单、可循环性好等优点。此外，Sharma等[41]采用水热法合成出氧化铁@氧化锌纳米粒子（Fe2O3@ZnO-T），并利用PDMS进行表面包裹，制得磁性超疏水纳米杂化物。该杂化物呈现ZnO-T的四边针尖状，表面被密实的Fe2O3纳米棒覆盖，且杂化物具有优异的比表面积和磁饱和值，可在磁场操纵下定向地实现较大范围的油水分离。Zhang等[42]采用Fe3O4和PDMS混合液对三聚氰胺甲醛（MF）海绵进行改性，将Fe3O4紧密结合在海绵骨架上，制得磁性超疏水超亲油海绵，其表面水接触角为158°，油接触角为0°。该海绵具有化学稳定性好、密度低、孔隙率高等优点，最大吸油量可达50g/g，表现出良好的吸附性能。由于黑色Fe3O4纳米粒子具有优异的磁性、光热效应和热传导效应，该海绵能在光照下迅速升温使油的黏度下降，可用于高黏度油的吸附，同时能在磁场操纵下定向吸附和分离水面上的浮油。但该海绵的可重复性仍有待提高，在经过5次循环利用后，海绵的吸油能力即降至原来的90%左右，远远无法满足实际应用的需要。此外，由于优异的拒水性，该海绵也无法实现磁场操纵条件下的水下重油的定向分离。

高精度程控源：该装置接受智能测试控制中心控制，并按照装置电压电流数据进行输出电气量，进行精度校准或校验（针对非数字化装置）。

通过改变磁场方向实现材料表面润湿性转换，具有操作简单、响应速度快、可远程操纵等优点。Jiang等[43]以PDMS和羰基铁粒子为原料，结合磁场和模板法制得高纵横比的磁响应微板阵列（HARMMA），然后在磁场作用下使HAR-MMA向一侧弯曲，并喷涂疏水SiO2溶液得到超疏水表面，再改变磁场施加方向使HAR-MMA向另一侧弯曲，并使用激光刻蚀处理得到亲水表面，其制备过程和表面接触角转变如图5所示。通过改变磁场施加方向，HAR-MMA表面在接触角为158°的超疏水状态和接触角为40°的亲水状态之间可逆切换，用于控制液滴在表面的滚落和捕捉过程，且该过程可重复多次，在微流控领域具有重要的应用价值。

小尺寸磁性超疏水表面的制备方法较为简单，但是如何控制磁性颗粒在超疏水表面中的理想分布是一个关键性的技术难题，对于微纳粗糙结构的构造以及磁场均匀性的实现均有重要影响。相对来讲，大尺寸磁性超疏水表面的制备及应用则要面临许多困难需要去克服，如海面上原油的定向分离。

2.5 导电超疏水表面

图5 Janus HAR-HMMA的制备和表面接触角转变[43]

导电超疏水表面兼具超疏水性和优异的电学性能，其制备通常涉及银纳米颗粒或纳米线、碳纳米球或纳米管、石墨烯等导电无机填料的引入或聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物的合成。导电超疏水表面的导电性除了可以用于消除静电外，还可以拓宽材料在融冰除雪、电磁屏蔽、传感器等领域中的应用。同时，超疏水性可以有效保障导电材料在潮湿或酸碱环境中的正常运行[44-46]。

Li等[47]采用喷涂法将碳纳米管（CNTs）和热塑性弹性体（TPE）的分散液喷涂在基底上，再采用乙醇溶解部分TPE，制得导电超疏水涂层，其制备过程、表面润湿性和形貌变化如图6所示。可以看出，涂层表面大部分的TPE在2min内被溶解，裸露出来的碳纳米管构造出明显的微纳米分级粗糙结构，从而赋予涂层表面超疏水性。在该涂层中，TPE呈梯度分布。涂层表面的TPE较少，粗糙度高，疏水性好；中部TPE较多，可以包裹碳纳米管导电网络并提高涂层柔韧性；底部含大量TPE，起到增强涂层与基底结合力的作用。将该涂层用作传感器，对检测拉伸、弯曲及扭曲等变形均具有优异的灵敏度、分辨率和稳定性，且响应速度快、应变范围广。在拉伸及弯曲状态下，涂层均可保持表面超疏水性，并且其在滴水甚至酸碱液滴的条件下也能稳定工作。

Gao等[48]首先通过多巴胺的自聚在聚丙烯织物表面生成一层PDA，然后在PDA层上原位生成AgNPs，最后利用PFDT对表面进行氟化处理，制得导电超疏水织物，其电导率和接触角分别达到4000S/m和155°。其中，PDA层显著增强了织物表面和AgNPs之间的相互作用，从而保证了导电性和表面超疏水性的稳定；AgNPs除了赋予织物优异的导电性能外，还对其表面微纳米级粗糙结构的构造起到至关重要的作用；外层的PFDT则可以有效降低织物的表面能，但过度氟化会降低织物的导电性。作为电磁干扰屏蔽材料，该织物的屏蔽效能和单位体积的屏蔽效能分别为48.2dB和209.56dB·cm3/g。为了拓宽超疏水材料在快速融冰融雪领域中的应用，本文作者课题组Wu等[49]采用真空抽滤法在混合纤维素酯（MCE）膜表面依次抽滤多壁碳纳米管（MWCNTs）和PDMS，随后通过乙酸乙酯溶解MCE，制得导电超疏水膜。该膜具有优异的电热转换性和表面超疏水性，表面覆盖的冰块在15V电压下可于30s内迅速融化并滚落。

综上所述，导电超疏水材料及表面中导电通路的构建有两种途径：其一，将导电物质与基材共混；其二，将导电物质包覆在基材表面上形成导电层。相对来讲，前者所需的导电物质用量较多（占总量的50%以上甚至更多），且导电性不够理想。而后者只需很少量的导电物质（总量5%以内）即可实现优良的导电性，但需要注意，导电物质与基材之间的界面结合力决定着导电超疏水材料及表面的稳定性。此外，要尽可能将低表面能物质的修饰对导电性的影响降至最低。

2.6 非对称浸润性的Janus材料及表面

Janus材料通常是指一面具有超疏水性和另一面具有亲水性的膜状或片状材料，这种独特的非对称浸润性在液滴操纵、集雾集水、微全分析系统以及生物医学等领域都具有广泛的应用前景[50-52]。目前，Janus材料的构建主要有两种方式：一种是对层状材料的两面进行不对称的化学修饰；另一种是直接将超疏水层状材料和亲水性层状材料组合在一起[53]。

图6 超疏水CNT/TPE膜的制备、表面润湿性和形貌变化SEM图[47]

Zhu等[55]将长链石蜡处理后的织物和普通织物叠加，制得超疏水/超亲水Janus织物。该织物的超亲水部分可吸收血液以促进血液凝固，而超疏水部分则产生负压以防止血液渗透，从而起到有效止血和减少失血的作用。动物实验表明，该Janus织物可使颈动脉出血的大鼠存活时间延长40%，且在保持透气性不变的情况下其失血减少量超过50%。Gore等[56]将表面改性的纳米黏土加入聚乳酸（PLA）中配制成纺丝液，利用静电纺丝技术在超亲水棉布上制备出超疏水PLA纳米纤维膜，最终得到一面超疏水而另一面超亲水的Janus织物。该织物具有较好的耐酸碱性、抗冻性、耐紫外线性和生物降解性，对己烷-水混合物的分离效率和最大渗透通量分别达到99.16%和65000L/(m2·h)，并具有良好的重复使用性。

相比较而言，将超疏水的层状材料和亲水性层状材料组合起来构建Janus材料，具有制备方法简单的优点，但在制备过程中要充分考虑两个层状材料的界面相容性，如果它们结合得不够紧密和牢固，势必会影响其正常使用。而不对称化学修饰法在制备厚度小、结构完整性和使用稳定性好的一体化Janus材料方面具有更大的优势，但其在单面修饰过程中要注意对材料的另外一面进行保护，这导致其制备工艺通常较为复杂，成本也更高。

2.7 其他功能性超疏水表面

除上述提到的可修复、可拉伸、透明、磁性、导电的功能性超疏水表面以及非对称浸润性的Janus材料及表面外，还出现了一些具有抗菌、导热、阻燃、超疏油等功能的超疏水表面，在医学、电子、航空、人工智能等领域具有重要应用价值[57-60]。

抗菌超疏水表面兼具超疏水性和抗菌性，其超疏水性可以减少有害微生物在材料表面的黏附，而抗菌性则可以有效杀死残留在表面的微生物，在医学、纺织品等领域具有广阔的市场前景。Bu等[61]将单宁酸、AgNPs和PFDT依次沉积到织物表面，制得抗菌超疏水织物。AgNPs的负载对织物的表面抗菌性具有重要作用，且织物经50次洗涤循环后，其表面抗菌率仍保持在97%以上。

图7 DBSH和Janus微型船经过瀑布的航行过程[54]

组成超疏水材料及表面常用的低表面能物质的导热性通常较差，限制了其在人工智能、电子器件等导热和散热要求较高的领域中的应用。因此，开发一种导热性好的超疏水材料及表面对进一步拓宽其应用范围具有重要的意义。Wang等[62]采用激光直写法将PDMS切割成不同形状，再改变激光强度和刻蚀时间在PDMS表面形成类似于炭黑的具有分级粗糙结构的无机层，制得导热超疏水PDMS弹性体，制备过程如图8所示。该PDMS弹性体对不同波长的光均具有优异的吸收性，其表面温度可在2min内升至60℃。结合马兰戈尼效应和超疏水表面的减阻效应，PDMS弹性体在吸收热量的驱动下实现了直线和旋转运动。

一般来说，阻燃材料具有亲水性，其阻燃效果常因水的润湿或浸泡而有所下降。阻燃超疏水材料不仅可以解决阻燃材料不耐污染、不耐水等缺点，也可以拓宽超疏水材料在阻燃领域中的应用。Chen等[63]采用层层组装法在织物表面反复沉积支化聚乙烯亚胺（bPEI）和聚磷酸铵（APP），再采用含氟分子链改性的聚倍半硅氧烷（F-POSS）对其进行修饰，制得表面具有阻燃性和超疏水性的棉织物。其中，APP作为酸源，bPEI作为发泡剂和碳源及APP与棉纤维间的黏合剂。APP/bPEI在燃烧时会产生三维多孔碳化层，使表面发生膨胀而起到熄火作用。本文作者课题组Lin等[64]以正硅酸乙酯（TEOS）、端羟基聚二甲基硅氧烷（HPDMS）和APP为原料，通过简单的溶胶-凝胶法制得阻燃超疏水棉织物。该织物表面在遇到明火后会迅速生成致密的膨胀炭化层，起到良好的阻燃效果。

此外，超双疏表面同时对水和油表现出良好的非润湿性能，在防污防油方面具有更大的优势。Kim等[65]受弹尾虫的启发，利用模板法制得蘑菇状微柱排列结构的PDMS涂层，然后将Al沉积在蘑菇状微柱顶部，Al涂层在PDMS上产生的压缩残余应力使微柱顶部向下弯曲，形成具有向下帽沿结构的蘑菇微柱，制得兼具超疏水性和超疏油性的PDMS表面，制备过程如图9所示。由于超疏水PDMS表面蘑菇微柱向下的帽沿边缘角，液体与其接触时会向上移动以便在整个蘑菇微柱结构上铺展，因此该表面对植物油、乙醇等有机溶剂均表现出优异的抗拒性。

图8 超疏水齿轮的制备和工作[62]

图9 超疏水超疏油结构的制备[65]

3 结语

在超疏水表面的基础上，进一步将功能性引入其中，可以有效延长其使用寿命并拓宽其在新兴领域中的应用范围，具有十分广阔的应用前景。本文全面介绍了近年来可修复、可拉伸、透明、磁性、导电、非对称浸润性等功能性超疏水表面的研究及应用进展。总体来看，功能性超疏水表面在柔性电子、人工智能、快速融冰融雪、液滴操纵、定向油水分离等多个关键领域展现出重要的应用价值。但遗憾的是，目前多数功能性超疏水表面还处于实验研究阶段，距离大规模的生产和实际应用还有较长的路要走，还有许多关键技术问题需要去攻克。例如，自修复超疏水表面虽然在其超疏水性丧失后可以实现恢复，但是通常要受到一些外界条件的限制，无法在室温下自发地快速恢复。再比如，可拉伸性超疏水表面的拉伸性还不够高，超过拉伸范围后易于使其受到破坏，其应用领域受到一定的限制。因此，在设计和构建功能性超疏水表面时，引入功能性固然重要，但如何使功能性充分发挥效力以满足实际需求也是需要重点解决的技术问题。此外，一些功能性超疏水表面存在制备成本较高、工艺路线复杂或者需要特殊设备辅助制备等缺点，难以实现大尺寸、大批量的生产及应用。同时，有些功能性超疏水表面在构建过程中会涉及有毒溶剂和含氟化合物，在实际生产和使用中会对自然环境和生态产生较大的污染。不可忽视的是，目前大多数报道的超疏水表面的耐久性无法满足长期使用的需要，在实际使用中易失去超疏水性和特殊功能，且测试过程很少综合考虑复杂的环境因素和人为因素对表面性能的影响。因此，在今后功能性超疏水表面的研究中应着力解决上述问题，尽可能利用简单环保的方法开发出能够长期使用的功能性超疏水表面以满足不同领域的需求。此外，不断开发具有新型功能或多种功能相结合的超疏水表面并进一步拓宽其应用也是该领域的研究重点。更为重要的是，科研工作者们要密切关注实际应用的需求并对结构设计及制备工艺进行及时有效的调整与优化，使功能性超疏水表面从实验室制备走向真正的生产及应用中去，充分展现出其实际应用价值。