[科普中国]-想要不沾灰尘的衣服吗？

想要不沾灰尘的衣服吗？

“不沾灰尘”的衣服，听起来不可思议，但并不是遥不可及的，用黑墨水泼到普通衣服和特制衣服，形成了鲜明的对比，蓝墨汁不沾到纸张上，蛋清与蛋黄不沾到纸张上，可这又是怎么回事呢？下面将揭开奥秘。 图1 黑墨水泼到普通衣服和特制衣服的对比

图2 蓝墨汁不沾到纸张上

图3 蛋黄与蛋清不沾到纸张上

这个奥秘和超疏水有关，超疏水听着很陌生，但其实生活中，处处可见，蝴蝶翅膀，水蜘蛛可以潜入水，荷叶“出淤泥而不染”等，其实，这些都与动植物身体表面的超疏水性有关系。

超疏水现象

荷叶为什么“出淤泥而不染”？

自古以来，荷花就是一个称赞对象，象征着高洁品质，鲜花是由绿叶衬托，但作为衬托的荷叶也不能忽视，它也有很多独特之处，不亚于荷花。众所周知，水滴落在荷叶上，会形成近似圆球形的白色透明水珠滚来滚去而不浸润在荷叶上，那这个“珠落玉盘”的奥秘又是怎么回事呢？图4 水珠滴落到荷叶表面的动态过程

自然界经过上万年的演变，已经进化得几乎完美，所以自然界是我们的老师，可以从中获得很多意想不到的收获。德国科学家Bathlott和Neinhuis就从植物中得到灵感，研究了数百种植物叶片，并在1997年，首次报道了以荷叶为代表的植物表面不沾水和自清洁现象， 认为自清洁性是由表面微结构的乳突和疏水性蜡状结构共同引起的 。

2002年，江雷院士课题组进行更深一层的研究，发现微米结构与纳米结构复合而成的结构，有效阻止了水滴往下一层结构的浸湿，认为这种微纳复合的多阶结构是引起超疏水表面的根本原因。C.W.Extrand等人又细致地考虑到荷叶表面微观结构，比如其表面的半球状突起，突起上覆盖着蜡晶体的二级结构，二级结构垂直向外突出，形成无数的锐利边缘，他们从理论上构建了该结构，并模拟荷叶所表现出的接触角和滑动角。

结构决定性质， 超疏水自洁性离不开荷叶表面的微观结构。荷叶看似光滑，但放大观察，可以发现在荷叶微凸表面布满微小的乳突，这种乳突结构用肉眼以及普通显微镜是很难察觉的，每一个微米级乳突上还存在很多直径200nm左右的小乳突，构成了非常复杂的多重纳米级和微米级的超微结构，之间存在纳米级空隙， 空气填充其间。水在荷叶上，由于表面张力和乳突间空气的阻力的作用，水的表面总是趋向于尽可能缩小成球状，接触角平均160° ，几乎不浸润。所以水在其表面的接触面积比一般材料减少了90％多，而且水滴极易滚动，在水滴滚动的同时，就带走了叶子上的尘埃和细菌，从而实现自清洁的功能。

当然，微结构的结构尺寸、几何形貌和粗糙度等都会对疏水性产生影响，所以荷叶疏水性是多因素共同作用的结果。图5 荷叶表面具有超疏水性以及自洁的特性

你是否想像蜘蛛侠一样攀岩走壁？

荷叶的微纳复合结构是用来疏水的，粘附力很小，那是不是具备微纳复杂结构的表面吸附性都很小呢？答案显然不是，壁虎，蜘蛛等动物的微米级，纳米级结构，就是个例外，竟然具备很强的吸附能力。

美国电影《蜘蛛侠》，想必大家早有耳闻吧。蜘蛛侠能攀岩走壁，灵活敏捷，并拯救人民和世界，那这位“超级英雄”是如何做到攀岩走壁的呢？

图6 蜘蛛侠攀爬

蜘蛛，壁虎等动物能在光滑的墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上。这表明，它们的脚底与物体表面之间必定存在很强的特殊黏附力，难道是壁虎脚趾能分泌胶水？

通过电子显微镜，科学家们发现壁虎的脚趾上竟然生长着数以百万计的细小绒毛——刚毛，每根刚毛约有100 μm长，顶端都有上千个更细小的分叉。但这种力量究竟从何而来？这道未解之谜，也和复杂的微纳米结构有关，使其具备了极强的吸附和脱附能力。而且与一般粘附材料产生的吸附力不同的是,这种吸附力可以在需要时产生或消失，很是灵活。

图7 微米级阵刚毛微观结构产生高黏附力

超疏水机理

什么是超疏水？

看到这么多例子后，大家在心中是否有个疑问，什么是超疏水，如何解释这种现象呢？在了解超疏水之前，先需要知道接触角。那什么是接触角？顾名思义，就是两个接触面的夹角。气、液、固三相交点处气-液界面切线与固-液交界线之间的夹角称为接触角。接触角是表征疏水性强弱的重要技术指标，接触角越大，疏水性越好。根据图8中所示的三种类型，一般将表面的润湿行为分类为：亲水表面的接触角在0°