王萬(wàn)興 房巖 藍(lán)藍(lán) 紀(jì)丁琪 關(guān)琳 盧浩華 郭寶琪 孫剛

（長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032）

潤(rùn)濕性是固體表面的重要特征之一，其影響因素主要包括表面化學(xué)組成（表面自由能）和表面微觀結(jié)構(gòu)（粗糙度）。表面潤(rùn)濕性的強(qiáng)弱通常用接觸角來(lái)表征。超疏水表面在防腐蝕、防雨雪、抗氧化、自清潔功能、微流體系統(tǒng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，因而引起人們極大關(guān)注。自然界中很多生物的體表（如昆蟲的翅表面、植物的花瓣和葉片表面）表現(xiàn)出超疏水性，可用作特殊潤(rùn)濕性功能表面的仿生制備。

1 荷葉

2 花生葉

邱宇辰等研究發(fā)現(xiàn)，水滴在花生葉片表面呈球狀，接觸角為151.0±2.0，具有超疏水性[4]。在新鮮的花生葉表面上，丘陵?duì)钗⒚捉Y(jié)構(gòu)上面無(wú)規(guī)則排列著納米薄片結(jié)構(gòu)，形成微尺度下無(wú)序排列的空隙?；ㄉ~表面微納米多尺度結(jié)構(gòu)顯著增加了其表面的粗糙程度，表現(xiàn)出超疏水特性。

3 美人蕉葉

4 霸王鞭葉和麒麟掌葉

5 蘆葦葉

6 櫻桃葉

櫻桃葉表面具有特殊的復(fù)合浸潤(rùn)性，包括低黏附性、超疏水性、自清潔性等，接觸角和滾動(dòng)角分別為155.1和4.6。櫻桃葉表面具有典型的微納米多層次結(jié)構(gòu)。葉表面密布網(wǎng)格和絨毛，形成一級(jí)結(jié)構(gòu)。在電子掃描顯微鏡下，葉表面呈現(xiàn)微米級(jí)乳突，形成二級(jí)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步放大倍數(shù)，可見二級(jí)結(jié)構(gòu)上具有很多大小不一、形態(tài)各異的粗糙單元（間距 45～65μm，直徑 8～13μm），形成三級(jí)結(jié)構(gòu)。這種多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成葉表面特殊潤(rùn)濕性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。進(jìn)一步研究表明，櫻桃葉主要由糖類、脂類和蛋白質(zhì)等天然疏水材料構(gòu)成，構(gòu)成葉表面特殊潤(rùn)濕性的化學(xué)基礎(chǔ)。粗糙結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成之間的協(xié)同作用導(dǎo)致葉表面的復(fù)合浸潤(rùn)性[9]。

房巖課題組以櫻桃葉為模板，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基質(zhì)，采用軟刻蝕法，制備了超疏水仿生膜，接觸角可達(dá)150.3。仿生膜表面的接觸角低于葉表面的接觸角，是由于葉表面的多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)無(wú)法完全復(fù)制到高分子膜表面，雖然一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)的分布與葉表面相同，但納米結(jié)構(gòu)只有80%～90%成功復(fù)制，從而在一定程度上降低了仿生膜表面的接觸角[9]。在仿生材料制備領(lǐng)域，納米級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)制仍是難點(diǎn)，如何使基質(zhì)更加有效進(jìn)入納米級(jí)空隙是下一步的研究重點(diǎn)之一[10-13]。

7 水稻葉

水稻葉同時(shí)具有高接觸角、低滾動(dòng)角和各向異性。水滴在荷葉表面向各個(gè)方向滾動(dòng)的機(jī)會(huì)相等，但在水稻葉表面滾動(dòng)則具有明顯的方向性，橫向和垂向滾動(dòng)角分別為3～5和9～15。這種各向異性是固體表面的一種重要特性，對(duì)疏水性、粘附性等具有顯著的影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，水稻葉表面呈現(xiàn)微納米復(fù)合等級(jí)結(jié)構(gòu)，乳突平行于葉緣有序分布[14]。水稻葉表面三相接觸線的各項(xiàng)異性決定了液滴滾動(dòng)行為的各項(xiàng)異性。在不調(diào)整化學(xué)組成的前提下，可通過(guò)微乳突排列模式的重組，使液滴的滾動(dòng)能力隨著方向的不同而不同。這種微觀結(jié)構(gòu)可用于特殊微流管道的仿生設(shè)計(jì)[15]。

8 小結(jié)

植物葉表面的微米級(jí)粗糙形態(tài)構(gòu)成一級(jí)結(jié)構(gòu)。在一級(jí)微觀結(jié)構(gòu)上，分布著形態(tài)、大小不一的粗糙單元體，構(gòu)成植物葉表面的二級(jí)微觀結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合微觀形貌為植物葉表面的超疏水性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。植物葉的化學(xué)成分（如蠟質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂類等）為表面超疏水性提供了化學(xué)基礎(chǔ)。化學(xué)組成與微觀粗糙結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使植物葉表面表現(xiàn)出良好的超疏水性。超雙疏仿生材料涂在水面艦船、水下潛艇外殼，可以起到防腐、防污、防粘附的作用，同時(shí)降低航行阻力，減少燃料使用，加快行進(jìn)速度。低粘附仿生材料用于微量注射器針尖，可避免昂貴藥物的浪費(fèi)及污染。超疏水仿生材料用于雷達(dá)、天線上，可以防積雪、抗塵埃，保證信號(hào)質(zhì)量。超疏油仿生材料用于輸油管道內(nèi)壁，可有效防止石油粘附、沉積和堵塞，降低運(yùn)輸過(guò)程中的油品耗損。自清潔仿生材料用于紡織品，可使服裝防水、防污、防漬、易于清洗[14]。

固體表面潤(rùn)濕性已成為化學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)的熱點(diǎn)研究課題。隨著科學(xué)研究的不斷深入，人們對(duì)于微觀粗糙結(jié)構(gòu)與表面潤(rùn)濕性之間的相互作用取得了更加深入的理解，對(duì)于生物表面特殊結(jié)構(gòu)在仿生科學(xué)、工程設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、生命科學(xué)中的作用獲得了更為豐富的認(rèn)識(shí)[15]。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的自然進(jìn)化和系統(tǒng)演化，形態(tài)各異的生物體從結(jié)構(gòu)、形態(tài)、行為、生理、機(jī)能等多種途徑適應(yīng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自身生存和種族繁衍。生物體表作為仿生功能材料和特殊工程材料的設(shè)計(jì)模板，在航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境保護(hù)和日常生活中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。