超疏水材料 30.01.2015

莲花被认为是纯洁的象征：生长在肮脏的沼泽水中，诞生了令人惊叹的美丽和纯净的花朵。 纯洁的象征和物理之间似乎有什么共同点？ 事实证明，有一个共同点，这就是所谓的科学术语——表面的疏水性。 如果表面是亲水的，那么水很容易在其上扩散并形成均匀的薄膜（这种表面的一个例子是玻璃）。 但是如果你将几滴水洒在铁氟龙平底锅上，它们就不会粘在表面上，如果你把它倾斜到一定的角度，水滴就会开始滚动——这是疏水表面的一个例子。

荷叶是一种天然的超疏水表面，它不会被水弄湿，但水滴会从上面滚落，带走灰尘和污垢颗粒，清洁植物。 荷叶是一种天然的超疏水表面，它不会被水弄湿，但水滴会从上面滚落，带走灰尘和污垢颗粒，清洁植物。

并且还具有超疏水性等特性。 在这样的表面上，水滴根本无法固定，并开始以非常小的倾角滚落。 例如，草地上的露珠呈球形，表面似乎排斥水，防止它被弄湿。 荷叶是自然界超疏水表面最美丽的例子。 秘密在于叶子的微观结构，它们不仅可以防水，还有助于植物的自我净化。 水滴从叶子表面滚落下来，带走灰尘和污垢颗粒，让花朵完全干净。 顺便说一句，蝴蝶和其他昆虫的翅膀具有相同的特性，否则它们根本无法在附着的灰尘的重量下飞翔。

人类已经学会制造绝不会被水润湿的人造疏水表面。 但罗切斯特大学的两位物理学家 Anatoly Vorobyov 和 Chan-Li Guo 更进一步，他们创造了一种材料，水滴可以像网球一样从墙上反弹。 更准确地说，他们想出了一种方法，可以将这种独特的属性赋予不同的材料。 他们是如何做到的呢？

为了处理表面，研究人员需要一种强大的蓝宝石激光器来产生短的飞秒脉冲。 将激光束聚焦在金属表面后，在其表面施加约 100 µm 宽和 75 µm 深的平行凹槽。 这个大小与人类头发的厚度相当。 在由此产生的棱纹表面上，有点让人想起带有山形土豆的床，甚至形成了更小的纳米结构，这使得凹槽和沟槽“粗糙”。 实验者用激光加工一块 2,5 x 2,5 厘米的金属板大约需要一个小时。

结果是惊人的材料。 在他们的实验中，物理学家使用了三块由铂、钛和黄铜制成的金属板。 处理后，闪亮的金属表面完全变黑——它不再反射光。 但最令人印象深刻的发现是当水滴到这样一个激光修改过的板上时——下落的水滴只是从上面反弹。 事实证明，该表面非常防水，以至于落在其上的水滴能够节省多达三分之一的动能并反弹回来。 自然地，金属板本身保持绝对干燥。 为了测试这种材料的自清洁特性，研究人员在其上涂上一层从传统真空吸尘器中取出的灰尘。 之后，普通的水开始滴到表面上——每一滴都将灰尘碎片“粘”在自己身上，带走了它们。 而材料本身则保持着原本的纯净，不比一朵美丽的莲花差。

在飞机上跳跃的水滴当然是美丽而有趣的，但是这样的材料怎么会有用呢？ 事实证明，莲花不仅是纯洁的象征，而且还帮助科学界人士弄清楚如何让我们的世界变得更美好。 首先，自清洁表面将有助于节约用水。 在每升水都很重要的情况下，这一点非常重要。 此外，这些材料可能具有防结冰特性——飞机控制装置上结冰会带来非常可悲的后果。 超疏水表面将更能抵抗霉菌和其他微生物。 金属表面完全变黑的特性可用于太阳能的有效吸收。