疏水材料的表面是如何制作的？
特殊浸潤(rùn)性是現(xiàn)在老火的領(lǐng)域了，我的水平很低，修學(xué)分的時(shí)候認(rèn)真讀過(guò)一篇二十幾頁(yè)的綜述，還有一篇十幾頁(yè)的嘛不太記得了，總之其實(shí)可次，就是瞎叨叨，有錯(cuò)誤請(qǐng)專家不吝批評(píng)指正。
問(wèn)題是疏水表面是怎么制作的，主要在“怎么”上。物理化學(xué)里面的內(nèi)容，我不太記得，也不想多說(shuō)了，總之物理化學(xué)也萬(wàn)壽無(wú)疆。感興趣的朋友也可參考上面的答主提到的浸潤(rùn)性、接觸角和滾動(dòng)角等內(nèi)容。我這種混流氓行的，對(duì)于具體的計(jì)算、公式什么的，特別無(wú)能。下面的描述中，也將偷換概念，偷懶，耍流氓，講成一些不特別嚴(yán)謹(jǐn)?shù)菓?yīng)該基本正確的東西。
仿生學(xué)為超疏水材料的制備提供了*初的依據(jù)。
有答主提到了“荷葉效應(yīng)”，對(duì)的，大多數(shù)的超疏水材料構(gòu)筑都有參考荷葉表面結(jié)構(gòu)。
而荷葉的表面結(jié)構(gòu)特征有兩點(diǎn)：
其一，特殊微納結(jié)構(gòu)。
其二，生物蠟。
具體展開(kāi)一下，圖片來(lái)自文獻(xiàn)Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3240–3255。
（嘿，既然是科普性質(zhì)的，我先說(shuō)明，我已經(jīng)是二次引用，感興趣的同學(xué)請(qǐng)自行搜索上述文章及其參考文獻(xiàn)，對(duì)綜述作者北航的劉克松老師、江雷老師等以及參考文獻(xiàn)的作者們表示感謝，感謝他們出色的工作，提供了這么美的圖片。）
既然是疏水材料，那么這種材料的水接觸角必然大于一個(gè)固定數(shù)值，目前學(xué)術(shù)公認(rèn)的數(shù)值是90度。那么要制作這種大接觸角的材料一般需要考慮的影響因素首先是表面能，表面能與接觸角的大小有直接的關(guān)系,低表面能物質(zhì) (硅烷化試劑、烷基化試劑和碳氟化合物等 )對(duì)于增大水滴接觸角,增強(qiáng)表面的疏水性能具有重要作用。也就是說(shuō)，在某種固體材料的表面修飾上低表面能物質(zhì)可以增大其疏水性。
除了化學(xué)因素外,表面物理結(jié)構(gòu)形貌特別是微觀幾何是決定疏水的關(guān)鍵因素。大量的理論和實(shí)驗(yàn)表明,只要有合適的微觀粗糙結(jié)構(gòu),在較小的本征接觸角條件下也能使液滴處于穩(wěn)定的復(fù)合潤(rùn)濕態(tài)（參考荷葉的疏水結(jié)構(gòu)）。還有，一個(gè)潤(rùn)濕系統(tǒng)由固體表面、液滴、外部環(huán)境組成。為達(dá)到理想的超疏水性,固體表面的內(nèi)在作用可在外部環(huán)境的刺激下得到進(jìn)一步加強(qiáng)。更重要的是,通過(guò)外界影響,可人為調(diào)控超疏水行為,這對(duì)將來(lái)發(fā)展各種機(jī)敏智能超疏水材料意義重大。外部環(huán)境作用主要包括聲、光、電、熱、振動(dòng)、壓強(qiáng)等,它們對(duì)表面潤(rùn)濕性質(zhì)有極大影響。
不過(guò)，我個(gè)人認(rèn)為，題干中的疏水材料制作，主要應(yīng)該是考慮物理和化學(xué)因素，可以在基材上設(shè)計(jì)合理的微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，然后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或者吸附等物理過(guò)程修飾低表面能物質(zhì)，就能制作出疏水材料甚至是超疏水材料（接觸角大于150°）。
【榮景昱的回答(15票)】:
搬磚歸來(lái)感覺(jué)自己現(xiàn)在挺適合回答這個(gè)問(wèn)題……
1.疏水性原理
問(wèn)題是疏水表面是如何制作的，在搞清楚制作之前我想應(yīng)該先搞清楚疏水原理。疏水性的概念以及接觸角，滾動(dòng)角神馬的其他答主也都回答過(guò)了，制備超疏水表面實(shí)際上就是在模仿荷葉表面的內(nèi)種微-納雙尺度結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)低表面能物質(zhì)修飾，從而達(dá)到超疏水性的效果。
這種微（乳突）納（納米線）雙尺度結(jié)構(gòu)為什么會(huì)產(chǎn)生疏水性能呢？這要從浸潤(rùn)模型講起。
*早人們認(rèn)為固液表面是光滑接觸的（young模型）。1936年Wenzel認(rèn)識(shí)到，實(shí)際應(yīng)用中不存在優(yōu)良光滑的理想表面，而是粗糙表面上的凹槽被液體完全填充，僅存在固-液接觸。這便是中間圖所示的Wenzel模型。1944年，Cassie在Wenzel模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)Young公式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了Cassie模型：當(dāng)表面結(jié)構(gòu)疏水性較強(qiáng)時(shí)，粗糙表面上的凹槽并非全部由液體填充，可能會(huì)有氣體存在于兩者之間并形成氣-固-液三相接觸，神奇么？就像是空氣墊和凹槽一起將表面液體“撐”了起來(lái)~至于到底是形成Wenzel狀態(tài)還是形成Cassie狀態(tài)，當(dāng)固液氣聯(lián)合表面張力大于重力，以及納米尺度粗糙結(jié)構(gòu)足夠高能撐起液滴的時(shí)候通常為Cassie狀態(tài)。不知是否能回答 @濟(jì)楚 的問(wèn)題。所以荷葉表面的微納雙尺度粗糙結(jié)構(gòu)，并不是隨意構(gòu)造出來(lái)的，而是自然界進(jìn)化了千年的*精密的結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)有利于 Cassie狀態(tài)的形成，接觸角也*大。從能量角度看，這樣的結(jié)構(gòu)單位投影面積下接觸面積*大，經(jīng)低表面能修飾的這種表面能量*低，液體有自發(fā)鋪展的傾向。
2.應(yīng)用
那么超疏水表面到底有什么用處呢？一個(gè)很有前景的方面就是利用其自清潔效應(yīng)。你想，水滴要是能在表面鋪展并隨意滾動(dòng)，表面的臟東西不都被卷走了么，想輪船表面這種容易附著海中雜質(zhì)以及容易生銹的表面不就能變得更加耐用么。另外，近期研究已經(jīng)證明超疏水表面在防污防積雪、微流體及無(wú)損傳輸?shù)确矫嬗羞@重要應(yīng)用。
3疏水表面的制備
終于說(shuō)到如何制備了，制備的關(guān)鍵就是構(gòu)建表面的內(nèi)種粗糙結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)低表面能修飾。目前比較流行的方法都是偏化學(xué)的方法，如電化學(xué)方法，溶膠-凝膠處理法，刻蝕法，化學(xué)化氣相沉積等等學(xué)化學(xué)的童鞋們比我懂。但是這些方法都有共同的缺點(diǎn)：制備步驟復(fù)雜，設(shè)備、原料昂貴，副產(chǎn)品難以清理。且機(jī)械強(qiáng)度并不理想，長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中時(shí)，受各種污染物或是灰塵影響，加之光照、輻射一系列因素的持續(xù)作用，導(dǎo)致表面不再表現(xiàn)出超疏水性能。故難以在工業(yè)上大批量應(yīng)用。我*近做的是拿冷噴涂的方法制備。冷噴涂（設(shè)備如下圖）是通過(guò)高速固態(tài)顆粒依次與固態(tài)基體碰撞后、經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖冃卫喂探Y(jié)合在基體表面而依次沉積形成沉積層的方法。這種方法具有涂層與基體結(jié)合好，成本低，易于修復(fù)，環(huán)境友好，適于大面積制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好的微米/階層結(jié)構(gòu)涂層，對(duì)基體與噴涂材料要求少，因此，研究冷噴涂方法制備疏水表面具有非常重要的科研及實(shí)用價(jià)值。（別管對(duì)不對(duì)導(dǎo)師是這樣說(shuō)的……）
4結(jié)果
我采用的原材料是Cu粉末，通過(guò)控制噴涂的工藝參數(shù)可以得到初級(jí)的微米結(jié)構(gòu)如圖，是不是很像荷葉表面的乳突呢….
然后將涂層氧化得到納米結(jié)構(gòu)的Cu2O。溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)長(zhǎng)出納米線，但實(shí)際上這樣減小了液滴和表面的接觸面積，不利于液滴鋪展（太細(xì)也會(huì)撐不住的….）所以我們果斷拋棄納米線結(jié)構(gòu)。
結(jié)果如何呢？通過(guò)低表面能的氟硅烷修飾，我們制得的涂層接觸角都在150度以上。因?yàn)檫@時(shí)候滾動(dòng)角（開(kāi)滾臨界角度）已經(jīng)很小了，所以很難拍到液滴停在表面的照片，經(jīng)常是一接觸就跑了。結(jié)果如何呢？通過(guò)低表面能的氟硅烷修飾，我們制得的涂層接觸角都在150度以上。因?yàn)檫@時(shí)候滾動(dòng)角（開(kāi)滾臨界角度）已經(jīng)很小了，所以很難拍到液滴停在表面的照片，經(jīng)常是一接觸就跑了。
5 寫(xiě)在*后
提醒大家，超疏水雖然聽(tīng)起來(lái)很厲害的樣子，不過(guò)真要運(yùn)用到實(shí)際生活中，恐怕還要很長(zhǎng)一段時(shí)間。就拿我這次做的來(lái)說(shuō)吧，有一步很關(guān)鍵的是通過(guò)氧化Cu構(gòu)建納米尺度次級(jí)結(jié)構(gòu)。實(shí)際中可能么？難道造好了輪船能整個(gè)扔到爐子里加熱？
所以也許這是又一大坑，歡迎大家入坑或和我來(lái)討論昂~
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【李鴻的回答(1票)】:
這個(gè)未必啊，表面效果也能達(dá)到。@馮小眉的理論說(shuō) 的很清楚了，我只補(bǔ)充具體實(shí)驗(yàn)：
N年前，在我還是碩士研究生的時(shí)候，做過(guò)三種疏水材料，一個(gè)是純靠手工打磨，來(lái)達(dá)到表面憎水的效果，當(dāng)時(shí)打磨的好像是一種鋁合金材料了吧，用金相砂紙，打磨出來(lái)的。這個(gè)太久遠(yuǎn)了，09年了，不太記得了。
后來(lái)，做鋁陽(yáng)極氧化，用高純鋁，99.995%的高純鋁，做氧化鋁膜，然后，在正硅酸乙酯-乙醇溶液中封閉，也能做到表面憎水的效果。
還做過(guò)一段時(shí)間的鎳-鉻復(fù)合鍍層，不過(guò)這個(gè)有點(diǎn)失敗，因?yàn)楸旧恚t，尤其是六價(jià)鉻存在的時(shí)候，就會(huì)影響鎳在陰極的沉積行為，當(dāng)年我用了幾種材料，304鋼和99.999%的鐵上，都沒(méi)重現(xiàn)性，偶爾，冷不丁的成功一個(gè)。
【葉如一的回答(3票)】:
疏水表面常見(jiàn)的制備方法有溶膠凝膠法、 化學(xué)修飾法、 噴涂法、 液相法、 化學(xué)蝕刻法、 水熱法、 微相分離法、 原位聚合法、 靜電紡絲法、 陽(yáng)極氧化法等，都是近幾年出現(xiàn)的疏水表面的制備方法。人工制造疏水表面雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅速，好的制備方法也越來(lái)越多。
【崔小夢(mèng)的回答(4票)】:
不是做這個(gè)方向的，但是我們畢業(yè)要求做個(gè)跟自己方向無(wú)關(guān)的original research proposal, 我選的方向是這個(gè)。樓上大部分講的都是lotus effect, 總而言之靠的就是wax 的hierarchicaltextures，再簡(jiǎn)單點(diǎn)就是微米結(jié)構(gòu)上覆蓋納米結(jié)構(gòu)，疏水的原理是靠液體和固體界面之間形成空氣層。
但是，但是，這不fashion,新的潮流有兩個(gè)非常，非常有意思的方向：
一個(gè)呢就是模擬豬籠草，豬籠草就是吃蟲(chóng)子的植物，就是這貨，
他們靠分泌lubricant liquid在表層，當(dāng)昆蟲(chóng)落在上面，哎呀，腳一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模擬的方法也很簡(jiǎn)單，就是造個(gè)texture吸附一層相關(guān)的lubricant liquid，下面就是哈佛那個(gè)組的工作：他們靠分泌lubricant liquid在表層，當(dāng)昆蟲(chóng)落在上面，哎呀，腳一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模擬的方法也很簡(jiǎn)單，就是造個(gè)texture吸附一層相關(guān)的lubricant liquid，下面就是哈佛那個(gè)組的工作：
這個(gè)方向可以延展到非常多的方向，我還沒(méi)defense呢，就先不講自己idea了。這個(gè)方向可以延展到非常多的方向，我還沒(méi)defense呢，就先不講自己idea了。
另一個(gè)特別有趣的就是完全完全單靠刻蝕（lithography):
單靠刻蝕，不在乎是什么材料，靠的呢就是用物理界面調(diào)節(jié)視覺(jué)contact angle，真實(shí)的液體和界面的contact angle 沒(méi)有改變。想法真的非常好，看到的時(shí)候覺(jué)得這才是富有創(chuàng)意的idea，當(dāng)然也可能自己paper讀的還是少。就是這結(jié)構(gòu)：
Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213
兩個(gè)都是發(fā)在**雜志，大家都知道的。
我辛辛苦苦碼些答案不容易啊，*近認(rèn)真寫(xiě)的答案都沒(méi)人贊，妄我掏心掏肺的，放棄刷購(gòu)物網(wǎng)買裙子的時(shí)間，哭，都不想寫(xiě)了呢。賣個(gè)萌，求贊~~
【JiaWeiLIN的回答(0票)】:
一般的防水涂層就是通過(guò)在表面沉積一層薄膜，這種薄膜的分子間隙比水分子還要小，類似Parylene。Liquipel這間公司好像在做。
【于一的回答(0票)】:
專業(yè)知識(shí)淺薄，只說(shuō)一下我所接觸的一種材料-OTS。
我做的材料一般都是在硅片表面涂覆一層OTS，使得硅片表面改性，產(chǎn)生疏水性能。其實(shí)是硅片表面的SiO2與OTS發(fā)生反正產(chǎn)生了疏水性能的官能團(tuán)。制備方法很簡(jiǎn)單，就是浸泡，不過(guò)條件要求比較苛刻，需要無(wú)水環(huán)境。
每每做這個(gè)都在想，若是能把騎車玻璃浸泡一下，表面有一層疏水性能的膜，以后開(kāi)車就再也不用擔(dān)心車內(nèi)外溫差會(huì)產(chǎn)生水汽了，也無(wú)需擔(dān)心下雨有水漬啦。
