自然界中的超疏水材料的應用

超疏水表面被定義為當從液固界面到液汽界面測量時，使駐留的水滴呈現(xiàn)大于150°的明顯前進或后退接觸角的襯底。由于低液滴表面附著力，以低接觸角遲滯和滾脫角為特征，超疏水表面在自清潔、防霧、防污、防腐、抗菌、防結冰、增強冷凝、能量收集和減阻等方面有許多用途。一般來說，表面能低、涂層一致性高、缺陷少、粗糙度高，水滴的表觀推進接觸角大、滯后小、超疏水性強。

由于其超低表面能(≈10 mJ/m2)，全氟或烷基基合成化學品通常用作保形疏水涂層，以獲得高本構接觸角(> 90°)。由于加工成本、材料成本、有機硅烷和氟化合物排放的毒性和環(huán)境危害，替代疏水涂層已經(jīng)開始被大量研究。除了健康和環(huán)境問題外，氟碳聚合物的加工既困難又昂貴。因此，尋找這些疏水化學物質的替代品是非常必要的。

在Seyed等人的研究中，開發(fā)了兩種疏水和超疏水涂層方法，采用替代的非氟化和非有機硅烷合成化學品，基于天然衍生化合物，提出了兩種可替代有機硅烷基烷基和全氟合成化學品的環(huán)保、無毒、廉價的功能性涂料。

如圖1為納米氧化銅薄膜的合成過程以及超疏水涂層的接觸角圖像。使用接觸角測量儀測量所有樣品上≈100 nL液滴的接觸角。在每個樣品上的五個點測量前進和后退的接觸角，并取平均值。所有接觸角數(shù)據(jù)采用圖像處理軟件，采用圓擬合方法進行分析。

采用機械磨損法和不同pH條件下對液相沉積的肉桂酸和肉豆蔻酸樣品進行了耐久性測試。每個循環(huán)后測量接觸角，以觀察磨損對涂層表面的影響。

圖2. 不同濃度(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆醬酸沉積的硅片、刷鍍Cu和CuO表面上的進退接觸角測量。在最佳濃度為8% wt /vol時，測定了肉桂酸涂層(a, e)上的超前接觸角。分別為64.1±5°和154.2±2°，后退接觸角分別為33.6±4°和151±3°。在最佳濃度為4% wt /vol時，測定了肉豆蔻酸涂層(b, f)上的超前接觸角。分別為88.4±5°和165±2°，后退接觸角分別為61.6±4°和164±2°。插圖:涂有(a, c, e)肉桂酸和(b, d, f)肉豆蔻酸的每個表面上后退的液滴形狀的圖像。注意，停留在刷鍍銅表面的液滴處于溫澤爾潤濕狀態(tài)，由于對微觀結構的釘住，導致明顯的后退角為零

圖2顯示了光滑Si、微結構Cu(拉絲)和納米結構CuO基底上的接觸角隨肉桂酸和肉豆醬酸濃度的變化。光滑硅片上的接觸角(圖2a,b)隨著酸濃度的增加而增加，并且在肉桂酸(≈60°)和肉豆醬酸(≈85°)的固有推進接觸角處達到飽和。在刷鍍銅基底上(圖2c,d)，沉積的液滴呈現(xiàn)Wenzel潤濕形態(tài)，對肉桂酸(≈120°)和肉豆汁酸(≈145°)均形成疏水狀態(tài)。刷鍍Cu表面的Wenzel液滴形貌導致兩種化學反應的接觸線釘住和較低的表觀后退角(≈0°)。

在這項研究中，開發(fā)了兩種方法來實現(xiàn)疏水性或超疏水性，利用液相沉積天然衍生的肉桂酸或肉豆蔻酸。通過對沉積濃度、時間和溫度的詳細研究，開發(fā)了光滑金屬氧化物和金屬氧化物微/納米結構的最佳沉積方法。超疏水氧化銅納米結構表面對肉桂酸和肉豆蔻酸的明顯推進接觸角分別高達154°和165°，接觸角滯后較小(< 15°)。這項研究為能源和水應用的超疏水表面制造提供了一種更安全、更環(huán)保的新途徑。