超疏水

超疏水表面是高度疏水的，即极难润湿。水滴在超疏水材料上的接触角超过150°。这也被称为莲花效应，在莲花植物的超疏水叶子之后。撞击这些表面的液滴可以像弹性球一样完全反弹。使用促进对称破坏、煎饼弹跳或水碗弹跳的特殊超疏水表面，可以进一步减少弹跳液滴的相互作用。

1805年，ThomasYoung通过分析作用在被气体包围的光滑固体表面上的液滴上的力来定义接触角θ。Cassie-Baxter状态的最新替代标准断言，当满足以下2个标准时，Cassie-Baxter状态存在：1)接触线力克服了无支撑液滴重量的体力和2)微结构足够高以防止桥接微结构的液体接触微结构的底部。接触角是静态疏水性的量度，接触角滞后和滑动角是动态量度。接触角滞后现象是一种表征表面异质性的现象。当移液器将液体注入固体时，液体会形成一定的接触角。随着移液管注入更多液体，液滴体积会增加，接触角会增加，但其三相边界会保持静止，直到突然向外推进。液滴在即将向外前进之前所具有的接触角称为前进接触角。现在通过将液体泵出液滴来测量后退接触角。液滴体积减小，接触角减小，但其三相边界将保持静止，直到突然向内后退。液滴在即将向内后退之前所具有的接触角称为后退接触角。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后，可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量，通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。Cassie-Baxter态的液体通常比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后，可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量，通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。Cassie-Baxter态的液体通常比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。前进和后退接触角之间的差异称为接触角滞后，可用于表征表面异质性、粗糙度和流动性。不均匀的表面将具有阻碍接触线运动的区域。滑动角是疏水性的另一种动态测量，通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。Cassie-Baxter态的液体通常比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。滑动角是疏水性的另一种动态测量，通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。Cassie-Baxter态的液体通常比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。滑动角是疏水性的另一种动态测量，通过在表面上沉积液滴并倾斜表面直到液滴开始滑动来测量。Cassie-Baxter态的液体通常比Wenzel态的液体表现出更低的滑动角和接触角滞后。一个简单的模型可用于预测合成微米或纳米加工表面的条件状态（Wenzel或Cassie-Baxter）、接触角和接触角滞后的有效性。该模型的主要因素是接触线密度Λ，它是给定单位面积上凹凸不平的总周长。临界接触线密度ΛC是体力和表面力以及液滴投影面积的函数。在哪里ρ=液滴密度g=重力加速度V=液滴体积θa=前进表观接触角θa,0=光滑基材的前进接触角γ=液体表面张力w=塔壁角如果Λ>ΛC，则液滴在Cassie-Baxter状态下暂停。否则，液滴将塌陷成温泽尔状态。要计算Cassie-Baxter状态下更新的前进和后退接触角，可以使用以下等式。

M.Nosonovsky和​​B.Bhushan研究了微米和纳米粗糙度的单一（非分级）结构和分级结构（纳米粗糙度覆盖的微米粗糙度）的影响。他们发现分层结构不仅对于高接触角是必要的，而且对于水-固体和水-空气界面（复合界面）的稳定性也是必不可少的。由于外部扰动，会在液-气界面形成毛细驻波。如果毛细波的幅度大于凹凸的高度，则液体可以接触凹凸之间的山谷；如果液体与固体接触的角度大于h0，则液体充满山谷在能量上是有利可图的。对于高度与波幅相当的小凹凸体，毛细波的影响更为明显。在单一粗糙度的情况下可以看到这种情况的一个例子，其中粗糙度的幅度非常低。这就是为什么单一界面不稳定的可能性非常高的原因。然而，在最近的一项研究中，EyalBittoun和AbrahamMarmur发现，多尺度粗糙度对于超疏水性不一定是必不可少的，但对表面的机械稳定性有益。

自然界中发现的许多非常疏水的材料都依赖于卡西定律，并且在亚微米水平上是双相的。一些植物上的细毛是疏水的，旨在利用水的溶剂特性来吸引和去除光合作用表面阻挡阳光的污垢。受这种荷花效应的启发，人们开发了许多功能性超疏水表面。水黾是生活在水表层膜上的昆虫，它们的身体实际上是不可润湿的，因为它们有专门的毛堆，称为水螅；它们的许多身体表面都覆盖着这些特殊的毛毛，这些毛由间隔非常近的微小毛发组成，每毫米有超过一千根微毛，这形成了一个疏水表面。在其他昆虫中也有类似的疏水表面，包括水生昆虫，它们大部分时间都被淹没在水中，疏水性的毛发可以防止水进入它们的呼吸系统。一些蜥蜴种类（如壁虎和壁虎）的皮肤表面也被证明具有高度疏水性，并且可能有助于自我清洁或水下呼吸。由于它们的疏水羽毛涂层，一些鸟类是游泳健将。企鹅被包裹在一层空气中，当需要跳出水面并降落在高地时，它们可以释放被困的空气以迅速加速。游泳时穿上风衣可以减少阻力并起到隔热的作用。

Dettre和Johnson在1964年发现超疏水荷花效应现象与粗糙的疏水表面有关，他们基于用石蜡或TFE调聚物涂覆的玻璃珠的实验开发了一个理论模型。1977年报道了超疏水微纳米结构表面的自清洁性能。1986年至1995年间，全氟烷基、全氟聚醚和射频等离子体形成的超疏水材料被开发、用于电润湿并商业化用于生物医学应用。此后出现了其他技术和应用1990年代中期。2002年公开了一种耐用的超疏水分层组合物，在一个或两个步骤中应用，其包含≤100纳米的纳米级颗粒覆盖在具有微米级特征或颗粒≤100µm的表面上。观察到较大的颗粒以保护较小的颗粒免受机械磨损。耐用、光学透明的超疏水和疏油涂层于2012年开发，包含10至100nm尺寸范围内的纳米颗粒。最近，一封信加速了超疏水性研究，该信报道了通过允许烷基烯酮二聚体(AKD)固化成纳米结构的分形表面而产生的人造超疏水样品。此后，许多论文提出了生产超疏水表面的制造方法，包括颗粒沉积、溶胶-凝胶技术、等离子体处理、气相沉积和铸造技术。当前研究影响的机会主要在于基础研究和实际制造。最近出现了关于Wenzel和Cassie-Baxter模型的适用性的争论。在一项旨在挑战Wenzel和Cassie-Baxter模型的表面能透视并促进接触线透视的实验中，将水滴放置在粗糙疏水场中的光滑疏水点上，光滑疏水场中的粗疏水点和疏水场中的亲水点。实验表明，接触线处的表面化学和几何形状会影响接触角和接触角滞后，但接触线内的表面积没有影响。还提出了一个论点，即接触线中锯齿状的增加会增强液滴的流动性。一种通过实验测量接触线锯齿状的方法是使用低熔点金属熔化并沉积在微/纳米结构表面上。当金属冷却并凝固时，它会从表面上移除。翻转，并检查接触线微观几何形状。实验表明，接触线处的表面化学和几何形状会影响接触角和接触角滞后，但接触线内的表面积没有影响。还提出了一个论点，即接触线中锯齿状的增加会增强液滴的流动性。一种通过实验测量接触线锯齿状的方法是使用低熔点金属熔化并沉积在微/纳米结构表面上。当金属冷却并凝固时，它会从表面上移除。翻转，并检查接触线微观几何形状。实验表明，接触线处的表面化学和几何形状会影响接触角和接触角滞后，但接触线内的表面积没有影响。还提出了一个论点，即接触线中锯齿状的增加会增强液滴的流动性。一种通过实验测量接触线锯齿状的方法是使用低熔点金属熔化并沉积在微/纳米结构表面上。当金属冷却并凝固时，它会从表面上移除。翻转，并检查接触线微观几何形状。一种通过实验测量接触线锯齿状的方法是使用低熔点金属熔化并沉积在微/纳米结构表面上。当金属冷却并凝固时，它会从表面上移除。翻转，并检查接触线微观几何形状。一种通过实验测量接触线锯齿状的方法是使用低熔点金属熔化并沉积在微/纳米结构表面上。当金属冷却并凝固时，它会从表面上移除。翻转，并检查接触线微观几何形状。在制造具有可调润湿性的表面方面已经做了一些努力。出于自发液滴移动的目的，可以制造具有不同塔宽和间距的表面，以逐渐增加表面的自由能。趋势表明，随着塔宽的增加，自由能垒变大，接触角下降，材料的疏水性降低。增加塔间距会增加接触角，但也会增加自由能垒。液滴自然地向疏水性较弱的区域移动，因此为了使液滴自发地从一个点移动到另一个点，理想的表面应由间距大的小宽度塔和间距小的大宽度塔组成。这种自发运动的一个警告是静止液滴移动的阻力。使用特殊开发的织物发现了一个易于调节的润湿性的例子。通过拉伸浸涂商用织物，通常可以增加接触角。这主要是由于塔间距的增加造成的。然而，这种趋势不会继续朝着具有更高应变的更大疏水性的方向发展。最终，Cassie-Baxter状态达到不稳定状态并转变为Wenzel状态，浸湿织物。纳米技术中仿生超疏水材料的一个例子是纳米针薄膜。在一项研究中，提出了一种五氧化二钒V2O5表面，它可以在紫外线辐射的影响下在超疏水性和超亲水性之间可逆地切换。根据这项研究，任何表面都可以通过应用玫瑰状V2O5颗粒的悬浮液来改变这种效果，例如使用喷墨打印机。层间气穴（相隔2.1nm距离）再次诱导疏水性。还解释了紫外线效应。紫外光产生电子-空穴对，空穴与晶格氧反应产生表面氧空位，而电子将V5+还原为V3+。氧空位与水相遇，钒表面的这种吸水性使其亲水。通过在黑暗中延长储存，仿生表面的另一个例子包括普通聚合物聚碳酸酯上的微型花。微/纳米二元结构（MNBS）模仿荷叶的典型微/纳米结构。这些微花提供了增强表面疏水性的纳米级特征，而无需使用低表面能涂层。在不同的环境相对湿度下通过蒸汽诱导的相分离产生超疏水表面，同样会导致表面接触角的变化。制备的表面提供高于160°的接触角，典型的滑动角约为10°。最近的一项研究揭示了芋头叶子上的蜂窝状微结构，这使得叶子具有超疏水性。在这项研究中测量的芋叶上的接触角约为148度。低表面能涂层也可以提供超疏水表面。自组装单层(SAM)涂层可以提供这样的表面。为了保持疏水表面，头部基团与表面紧密结合，而疏水胶束远离表面延伸。通过改变涂在基材上的SAM的量，可以改变疏水性程度。特定的超疏水SAM具有与底物结合的疏水性头部基团。在一项这样的工作中，1-十二硫醇（DT；CH3(CH2)11SH）组装在Pt/ZnO/SiO2复合基板上，产生170.3°的接触角。单层也可以用紫外线源去除，从而降低疏水性。一种简单的制造方法可以通过使用十八烷基三氯硅烷(OTS)在一个步骤中创建微观结构和低表面张力。超疏水表面能够通过使蒸汽层稳定来稳定莱顿弗罗斯xxx应。一旦蒸汽层建立，冷却就不会使该层塌陷，也不会发生核沸腾；相反，该层会慢慢松弛，直到表面冷却。制造具有受控几何形状的超疏水聚合物表面可能既昂贵又耗时，但少数商业来源为研究实验室提供标本。

最近对超疏水材料的积极研究可能最终导致工业应用。制造超疏水表面的一些尝试包括模仿荷叶表面，即两层特征。这需要在其顶部具有典型纳米级特征的微尺度表面。例如，已经报道了一种通过溶胶-凝胶技术在棉织物上涂上二氧化硅或二氧化钛颗粒的简单程序，它可以保护织物免受紫外线照射并使其具有超疏水性。类似地，二氧化硅纳米颗粒可以沉积在已经疏水的碳织物上。碳纤维织物本身被确定为固有疏水性，但由于其接触角不高于150°，因此不区分为超疏水性。随着二氧化硅纳米粒子的粘附，接触角高达162°。

使用二氧化硅纳米颗粒开发用于汽车挡风玻璃和自清洁窗户的透明疏水材料也很有意义。通过用约1wt%的纳米二氧化硅涂覆已经透明的表面，液滴接触角可以提高到168°，滑动角为12°。据报道，一种使线性低密度聚乙烯超疏水并因此具有自清洁性能的有效程序；沉积在这种表面上的99%的污垢很容易被冲走。图案化的超疏水表面也有望用于芯片实验室、微流控设备，并且可以显着改善基于表面的生物分析。在纺织工业中，超疏水性是指水的静态滚降角为20°或更小。现场应用中超疏水效应的一个例子是美洲杯中使用经过特殊处理的帆船夹克的Alinghi团队。该处理由微米尺寸的颗粒与传统的氟化学组合而成。最近开发了超疏水纸，其在纸基电子和医疗工业中的应用具有独特的性能。该纸是在无有机介质中合成的，因此对环境友好。该纸具有抗菌特性，因为它不保持水分，因此非常适合手术应用。这篇论文对于纸基电子行业来说可能是一个巨大的突破。对水性和有机溶剂的耐受性使其成为开发电子传感器和芯片的理想选择。现在可以在不损坏和连续更换电极的情况下进行基于皮肤的分析物检测，因为这种纸将不受汗水的影响。凭借其无穷无尽的应用，这一材料科学领域肯定会得到更多探索。疏水结构和材料的最新应用是开发微型燃料电池芯片。燃料电池内的反应产生废气CO2，可通过这些疏水膜排出。该膜由许多允许气体逸出的微腔组成，而其疏水特性可防止液体燃料泄漏。更多的燃料流入以取代先前由废气保留的体积，并允许反应继续进行。超疏水表面的一个众所周知的应用是在热交换器上，它们可以改善液滴脱落，甚至引起跳跃液滴冷凝，具有用于发电厂、供暖和空调以及海水淡化的潜力。发现具有疏水表面的稀土氧化物提供了表面涂层的替代方案，从而可以开发用于在高温下运行的热交换器的热稳定疏水表面用于膜蒸馏的超疏水脱盐膜也已被制造以提高抗污染性，可以通过化学气相沉积有效地制造。也有人提出，超疏水表面还可以排斥冰或防止冰积聚导致疏冰现象。然而，并不是每个超疏水表面都是疏冰的，这种方法仍在开发中。特别是，由于样品边缘引发的不希望的液滴间冻结波传播，整个表面上的霜形成是不可避免的。此外，结霜直接导致结霜附着力增加，给后续除霜过程带来严峻挑战。通过创建分层表面，可以抑制液滴间冻结波的传播，同时可以促进除冰/除霜。增强的性能主要是由于激活了层次表面中的微尺度边缘效应，包装完全排空粘性液体的能力在某种程度上取决于容器内壁的表面能。超疏水表面的使用是有用的，但可以通过使用新的润滑剂浸渍表面来进一步改进。