【正文】 種： Wenzel狀態(tài)與 Cassie狀態(tài)。由于此時水滴在表面上不能在表面上滾動，所以測量滾動角不能反應(yīng)表面的接觸角滯后。此時由于水滴與表面較低的粘附力，水滴很容易從表面上滾走。 作為 Cassie狀態(tài)的一個特例 ——Lotus狀態(tài)：分級結(jié)構(gòu)； Gecko狀態(tài) ：在 Cassie狀態(tài)下，復(fù)合表面的空氣的是與環(huán)境連通的。 Materials Chemistry II 結(jié)構(gòu)對潤濕性的影響 — 從天然到人工合成 （ a）分級微納米結(jié)構(gòu)及其對水表現(xiàn)出的超級抗粘附力 荷葉具有 161o左右的接觸角（ Contact Angle (CA)）和小到 2o的滾動角（ Sliding Angle (SA)），這是其具有超強自清潔效應(yīng)的根源。其表皮的植物蠟提供了低的表面能，而微米尺度的乳突結(jié)構(gòu)則在其和水接觸時創(chuàng)造了大量的空氣空穴，這對提高其超疏水性也是至關(guān)重要的。江雷研究組最近發(fā)現(xiàn)在荷葉的表面存在大量的微納米分級結(jié)構(gòu)。而在乳突上面還包含著平均直徑為 124nm左右的樹枝狀的結(jié)構(gòu)（圖 ）。理論模擬表明加上這些納米結(jié)構(gòu)的貢獻，荷葉的接觸角可達到 160o以上，這樣就可以較好地和實驗值相吻合。圖 底上采用化學(xué)氣相沉積的方法均勻地沉積上一層均相催化劑而得到的由垂直于基底的多壁碳納米管組成的純納米結(jié)構(gòu)。盡管這種膜層的接觸角高達 160o左右，但是其滾動角也高達30o，表明在這種表面具有一個較大的接觸角滯后和對水具有較強的粘附力。這種具有微納米分級結(jié)構(gòu)的膜層的的接觸角為166o左右，而其滾動角只有 3o。 （ a）分級微納米結(jié)構(gòu)及其對水表現(xiàn)出的超級抗粘附力 Materials Chemistry II 圖 荷葉（ AC）和人造碳納米管陣列（ DF）表面的微納米結(jié)構(gòu) 荷葉和人造碳納米管陣列表面的微納米結(jié)構(gòu) Materials Chemistry II （ b） 各項異性排列微結(jié)構(gòu)對潤濕性的影響 各向異性的表面結(jié)構(gòu)同樣對潤濕性具有很大的影響。掃描電子顯微鏡的圖像（圖 ）表明稻葉的表面具有類似于荷葉的分級結(jié)構(gòu)。然而不同的是稻葉上的乳突在平行于稻葉的方向上（箭頭 a）一維有序。 這中現(xiàn)象發(fā)生在稻葉上是因為乳突的各向異性的排列。為了模擬這種現(xiàn)象，通過控制催化劑在基底表面的分布制備了具有類似稻葉表面結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列（圖 ）。 Materials Chemistry II 圖 各向異性的結(jié)構(gòu)及其特殊的潤濕性：（ A）稻葉；（ B）稻葉類似表面的碳納米管陣列膜層；（ C）典型的三維各向異性的碳納米管陣列的SEM圖片（柱狀間隔為 20μm）；（ D）水在具有不同柱間隔的（ C）膜層■ ,6μm?！?,13μm。▼ ,20μm，以及在平整硅基底○上的擴展行為 各向異性的結(jié)構(gòu)及其特殊的潤濕性 Materials Chemistry II 可以預(yù)測在三維各向異性排列的分級微結(jié)構(gòu)表面將有著更加有趣的潤濕行為。這些周期性的圖案是由相互交錯的垂直和水平排列的碳納米管陣列組成。如果間距較小，水滴會在表面迅速鋪展而使膜層表現(xiàn)出非常親水的狀態(tài)（ CA30o） (圖 )。如果間距合適，膜層是超疏水的。進一步的研究表明，在膜層中水平排列的碳納米管的作用類似于親水組分而有助于水滴的擴展，而垂直排列的碳納米管陣列的作用類似于超疏水組分。 Materials Chemistry II （ c） 水黽驚人的超疏水力 水黽擁有獨特的可疏水的腿部，它們能毫不費力地站立在水面上，并且在水面上快速移動，以前一種普遍的說法認為以上現(xiàn)象歸因于蠟物質(zhì)所引起的表面張力效果 ，然而最近的研究表明，由水黽腿表面分泌的蠟產(chǎn)生的接觸角為105o，不足以說明水黽腿部顯著的疏水性， 已知一個有低表面能的物體的微觀結(jié)構(gòu)可以加強它的疏水性， 所以我們對水黽腿部的物理性質(zhì)進行了研究 Materials Chemistry II （ c） 水黽驚人的超疏水力 圖 非潤濕性的水黽的腿：（ A）當水黽的腿刺穿水表面瞬間產(chǎn)生的最大凹坑的側(cè)視照片，插圖為水黽一條腿上接觸角為167177。 ，腿才會進入水面。 相應(yīng)的排水量大約是腿自身的 300倍 。 ，證明其腿呈現(xiàn)超級疏水的性質(zhì)，掃描電鏡照片顯示水黽腿部有大量取向的剛毛。大多數(shù)剛毛長度約 50微米，許多纖細的納米尺度的凹槽明顯分布在每一根微型剛毛上，以上這些 形成一個獨特的有等級的結(jié)構(gòu) 。在微型剛毛和納米溝槽中的空氣在腿水間形成了一個空氣墊，阻止了腿被潤濕。這種發(fā)現(xiàn)同樣也為其在微應(yīng)用流體學(xué)和水上機器人的應(yīng)用方面提供了可能。 聚合物，由于在加熱或溶解時具有良好的可塑性和流動性，它們非常容易加工 ?；?“ 滾壓 ” 技術(shù)而發(fā)展起來的方法可以實現(xiàn)在聚合物表面制備具有規(guī)整圖案的柱狀結(jié)構(gòu) . (a)模板法制備 PC納米棒陣列過程， (b)大面積制備裝置示意圖 Materials Chemistry II 當在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上并施加幾百千帕的壓力在聚合物上滾動時，聚合物就會軟化并進入到納米孔內(nèi)。值得注意的是這樣制備的表面和蟬的翅膀在結(jié)構(gòu)上具有驚人的類似。隨著這些納米柱尺寸的減小，聚合物的超疏水性得到極大的增強。 ，其接觸 角可達 177。 。這主要是因為納米柱的高度較低，只有 50—200nm，這不足以帶來較大比例的空氣比例。用這種方法得到的納米結(jié)構(gòu)（圖 ）。因此， 盡管平面聚丙烯腈的膜層的接觸角只有 177。 。 在上述微納米結(jié)構(gòu)存在時也表現(xiàn)出了 超疏水性質(zhì) ，這也證明了有關(guān)超疏水表面可通過親水物質(zhì)構(gòu)筑的理論預(yù)測。 這種方法制備的膜層表面具有類似荷葉的微乳突結(jié)構(gòu)，每一個乳突（ 300—700nm）上覆蓋著尺寸在 30到 40nm的納米乳突。 ，呈現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性質(zhì)。通過該方法制備的多孔微球 /納米纖維復(fù)合聚苯乙烯膜層（圖）其接觸角高達 ，呈現(xiàn)出了很好的超疏水性。通過對這種方法，不僅可以得到具有超疏水性質(zhì)的材料，同時也可將既有結(jié)構(gòu)表面的潤濕性在超親水和超疏水之間可控調(diào)節(jié)。這些樹枝狀的金聚集體上還有納米尺度的隆起，類似于典型的荷葉的分級結(jié)構(gòu)。如圖 。這主要是因為十二硫醇在金聚集體表面的組裝大大降低了膜層的表面自由能。當1000s后趨于穩(wěn)定，該膜層的接觸角可達 156o，當其在空氣中暴露 40min后，其接觸角增大到了約 173o，表明其有著良好的超疏水穩(wěn)定性。對水如此良好的抗粘附性對于金屬保護有著重要的意義。 一鏈長不同的烷酸被用在對銅膜層的表面自由能的調(diào)節(jié)上。表明通過化學(xué)改性和改變膜層的粗糙度，銅膜層的潤濕性可以在超親水和超疏水之間得到很好的控制。 Materials Chemistry II 刺激響應(yīng)性材料使 可逆地改變表面的化學(xué)性質(zhì)和潤濕性成為可能 ,但是通常情況下潤濕響應(yīng)的改變非常有限。因此， 對于一個刺激響應(yīng)性的表面，潤濕響應(yīng)性也可以通過引入表面粗糙度而得以放大，這就為實現(xiàn)在超疏水和超親水間轉(zhuǎn)變的提供了可能。在平面基底上，當溫度在 25到40℃ 變化時，該表面的接觸角從 63o變?yōu)?93o（圖 ），這是由于在低臨界溶液溫度（ LCST）上下（大約 32—33℃ ）時分子內(nèi)氫鍵和分子鍵氫鍵競爭的結(jié)果。當表面粗糙度足夠大時，高溫下的接觸角可達 ，而低溫下接觸角則變?yōu)榱?0o，顯示了溫度觸發(fā)的超疏水到超親水之間的轉(zhuǎn)換已被實現(xiàn)（圖 ）。 PNIPAAm改性的表面實現(xiàn)溫度觸發(fā)的超疏水到超親水之間轉(zhuǎn)換 Materials Chemistry II 特殊潤濕性具有廣泛的應(yīng)用價值，如其可用在油水分離上。該膜層對水和油表現(xiàn)出了極端相反的潤濕性。 ，表明其是超疏水的。當油滴滴在該膜層上時，其快速擴展最終接觸角接近 0o并且在 240ms內(nèi)透過網(wǎng)格（圖）。桑油水混合液體置于膜層上時，水將停留在膜層的上端，油則快速通過網(wǎng)格而最終在網(wǎng)格下的容器中實現(xiàn)收集。 PTFE包覆的銅網(wǎng)格以及其對水油表現(xiàn)出的極端的潤濕響應(yīng)性 Materials Chemistry II 超親水性在聚合物過濾膜中也得到了廣泛的應(yīng)用。通過對該膜層進行化學(xué)改性并在其表面構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，在不改變網(wǎng)孔大小的情況下，過濾膜可以呈現(xiàn)超親水性而使水滴快速擴展，從而大大提高過濾效率。納米結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被用在某些布料上來實現(xiàn)超疏水織品的制備，例如具有自清潔功能的領(lǐng)帶和襯衫，其可表現(xiàn)出超疏水以及自清潔的性質(zhì)從而實現(xiàn)免洗功能。 超親水性的應(yīng)用