从荷叶到油纸伞

大自然的鬼斧神工，常常创作出令人叹服的事物，给我们带来美好熏陶的同时，也给我们带来启迪和感悟。古人面对“出淤泥而不染”的荷叶时，一边赞叹着它高洁的君子形象，一边思索着背后的道理。早期超疏水材料的设计便是对这些现象的关注与探索。荷叶表面难以被润湿而表现出的超疏水特性是其表面的微米级乳突和具有低表面能的蜡状物质共同决定的[1]。

图1 荷叶表面的疏水现象及微纳结构（图片来源于网络）

1、超疏水材料的概念

超疏水材料是一类对水极端排斥的材料，通常由特殊的表面微纳粗糙结构和低表面能化学物质构成，超疏水材料的决定性因素是表面的微纳粗糙结构。接触角大于150°、滚动角小于10°是超疏水材料表面的典型特征[2]。又根据超疏水状态下液滴与表面黏附力的不同，将超疏水材料的形态分为五种，分别是：Wenzel态、Cassie态、“荷叶态”、Wenzel－Cassie态和“壁虎态”。这五种形态中水滴与表面的黏附力极小，且滚动角α＜10°的“荷叶态”是目前研究最为广泛的一种超疏水材料的状态[3]。显微镜下荷叶的表面并不像它表现的那样光滑，它上面布满着密密麻麻的突状结构，突状结构之间充斥着空气，形成了一层极薄的空气膜，再加上荷叶自身分泌的植物蜡质，共同造就了荷叶的疏水和自清洁效应。

图2 接触角和滚动角示意图（图片来源于网络）

2、超疏水材料的应用

古人们就有了利用超疏水材料的意识。油纸伞就是这种材料应用的初步探索。相传在春秋战国末年，最开始的雨具是由鲁班为妻子避雨而发明的工具。他将竹子劈成细条，编制成了最开始的伞架；伞面还不是轻巧的宣纸，而是动物的皮草[4]。后来，随着纸张的发展，人们就想到了在伞面上铺就浸透天然桐油的宣纸，一来减轻了伞本身的重量，二来也达到了较好的疏水效果。在油纸伞的制作过程中，至关重要的一步工艺便是刷桐油。生桐油是不能直接刷涂的，因此熬制熟桐油是第一道工序。桐油熬好后，就要用棉布沾满桐油涂刷在伞的阴阳两面上，重复三次。自然晾干后，还需再涂一遍桐油，这样才能保证油纸伞在雨中表现出较好的疏水性能，不被浸坏[5]。

图4 雨中的油纸伞（图片来源于网络）

油纸伞盛行在水光潋滟的江南，“文化、历史、怀旧”这些附着在油纸伞上美好而典雅的标签，带着浓郁的“古老华夏民族”的符号意义。现在的油纸伞，以其精美的图案，复古的造型，承载着古人精湛的工艺，勾连着人们怀旧的情愫。

超疏水材料在现在也占据着广阔的应用领域。

（1）医用方面

超疏水材料的显著特征是不润湿，不湿润就意味着降低了细菌接触的可能，从而使这类材料表现出抗菌和自清洁性能。医学上抓住了这个新的思路，抑制了细菌的繁殖，防止了伤口的感染和溃烂。江雷院士就是利用超疏水粗糙表面间隙留存的空气，迫使肽聚糖和底物之间的接触区域变到最小，基于这些空气层来抑制和减小细菌等的黏附，从而抑制生物膜的形成，降低感染的可能性[6]。

（2）日用方面

雨过天晴后，荷叶表面光洁如新，这是由于超疏水材料具有的自清洁性能。利用这一性能，叶向东[7]等人在建筑墙体的防护上用到了超疏水材料。运用了超疏水材料的墙面相较于普通墙面更干净，减少了人工打扫的成本。这是因为覆盖了超疏水表面的墙体上，附着在上面的颗粒及液体污染物容易通过水流的作用被带走。在纺织品上应用超疏水材料，也可以表现出不粘附、自清洁的性能。即使酱油滴在衣服上也不会留下污渍，这样具有优良性能的纺织物可以满足人们日常生活的多方需求。户外玻璃，太阳能电板以及高层建筑的外墙都应用了超疏水材料的这一性能。

图5 疏水玻璃（图片来源于网络）

（3）在军用方面

军用武器装备的超疏水材料应具备更多优良的性能以面对更苛刻的外部环境，比如耐磨、防雾等综合防护能力。2017年4月，密歇根大学受多方资助，合力研制出一种高耐磨性超疏水涂料。该涂料由氟化多面体低聚倍半硅氧烷（F-POSS）低表面能材料和氟化聚氨酯高弹体（FPU）粘合剂混溶制成的[8]。在防雾方面，超疏水材料以多尺度的表面结构，抑制了潮湿环境中的雾气凝结，从而达到有效保护光学器件等重要设备的目的。

图6 应用了疏水材料的武器（图片来源于文献2）

从亭亭净植的荷叶，到撑着油纸伞的姑娘，再到我们生活中随处可见的现象。超疏水材料的应用贯通古今，包罗万象，呈现出蓬勃的生命力。与此同时，我们也要关注到超疏水材料面临着的许多难题，而对于科研工作者来说，环境友好型、成本低廉，工艺简单的超疏水材料的研发又是重中之重[9]。相信在未来将开启超疏水材料的新纪元。