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仿生视角下特殊黏附性超疏水表面的制备与性能探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在自然界中，诸多生物经过漫长的进化过程，发展出了具有特殊黏附性的超疏水表面，展现出令人惊叹的性能。以荷叶为例，其表面布满了微米级的乳突结构，且每个乳突又由纳米级的蜡质晶体覆盖，这种微纳米双重结构与表面低表面能物质的协同作用，赋予了荷叶超疏水特性，水滴在荷叶表面的接触角大于150°，滚动角小于10°，能够轻易滚落并带走表面的灰尘等污染物，实现自清洁效果，这一现象被称为“荷叶效应”。又如玫瑰花瓣，花瓣表面的微结构使得其具有超疏水性的同时，对水滴还表现出高黏附性，即使将花瓣倒置，水滴也能稳定地附着在上面，不会滑落，这种独特的现象被称为“玫瑰花瓣效应”。水黾能够凭借其腿部特殊的微纳米结构和疏水物质，在水面上自由行走，其腿部与水的接触角高达167.6°，这为研究特殊黏附性超疏水表面在减阻和浮力支撑方面提供了灵感。

仿生制备具有特殊黏附性的超疏水表面具有重大的研究意义。从基础研究角度来看，深入探究自然界生物表面特殊黏附性超疏水的形成机制，有助于丰富和拓展表面科学、材料科学等多学科领域的理论知识体系。在材料科学领域，开发新型的仿生超疏水材料，能够显著提高材料的抗腐蚀性能，延长材料的使用寿命，降低维护成本。在能源领域，应用仿生超疏水表面可提升太阳能电池板的发电效率，减少因水滴附着导致的光线折射和散射损失；还能降低风力发电机叶片表面的结冰风险，提高风机运行的稳定性和效率。在生物医学领域，仿生超疏水表面可用于制造抗凝血的医疗器械，减少血液与器械表面的接触，降低血栓形成的几率，提高医疗器械的安全性和可靠性；也有助于开发新型的生物传感器，提高检测的灵敏度和准确性。在海洋工程领域，应用仿生超疏水技术可降低船舶表面与海水的摩擦阻力，提高航行速度，减少燃油消耗，降低运营成本，同时减少海洋生物在船体表面的附着，减轻腐蚀和污损，延长船体的使用寿命。

1.2国内外研究现状

在仿生制备特殊黏附性超疏水表面领域，国内外研究人员取得了丰硕的成果。国外方面，美国、德国、日本等国家的科研团队处于前沿地位。美国的科研人员通过光刻技术和化学修饰方法，在硅基底上制备出了仿荷叶结构的超疏水表面，对其表面微结构与疏水性能之间的关系进行了深入研究，发现微结构的尺寸、间距和高度等参数对接触角和滚动角有着显著影响。德国的科研团队利用溶胶-凝胶法和模板技术，制备出了具有高黏附超疏水特性的仿生表面，模拟玫瑰花瓣表面结构，研究了液滴在该表面的黏附机理，揭示了表面粗糙度和化学组成对黏附力的协同作用机制。日本的科研人员则专注于研发新型的仿生超疏水材料，通过分子自组装技术，制备出了具有特殊分子结构的超疏水涂层，该涂层在保持超疏水性能的同时，还具备良好的柔韧性和耐磨性。

国内众多科研机构和高校也在该领域积极开展研究并取得了重要进展。中国科学院的研究团队采用飞秒激光加工技术，在金属表面直接制备出了具有微纳多级结构的超疏水表面，该表面不仅具有优异的超疏水性能，还具备良好的耐腐蚀性和稳定性，通过调整激光参数，实现了对表面结构和性能的精确调控。清华大学的科研人员利用静电纺丝技术，制备出了纳米纤维状的仿生超疏水材料，研究了纤维的直径、取向和排列方式对材料疏水性能和力学性能的影响，并将其应用于油水分离领域，展现出高效的分离性能。江南大学的魏宁教授团队模仿真实荷叶表面和玫瑰花瓣表面微纳结构，采用自组装方法制备了沉积有不同尺度的聚苯乙烯（PS）微球的聚二甲基硅氧烷（PDMS）仿生表面，通过调控PS微球的尺寸大小以及混合比例，调整其分层粗糙结构形貌，成功制备了水黏附力可控的超疏水表面，即仿玫瑰花瓣高黏附超疏水表面和仿荷叶低黏附超疏水表面，并使用场发射扫描电镜和白光干涉仪表征薄膜的微观结构和粗糙度，利用接触角测量仪对薄膜疏水性能以及黏附性能进行定量表征，详细讨论了单组份PS微球和混合组分PS微球尺寸对构建表面润湿性的影响规律。

然而，目前的研究仍存在一些不足之处。部分制备方法工艺复杂、成本高昂，难以实现大规模工业化生产；一些仿生超疏水表面的稳定性和耐久性较差，在实际应用环境中容易受到磨损、化学腐蚀等因素的影响，导致性能下降；对于特殊黏附性超疏水表面的黏附力调控机制和理论模型研究还不够完善，限制了对表面性能的进一步优化和拓展应用。

1.3研究内容与方法

本研究旨在通过仿生方法制备具有特殊黏附性的超疏水表面，并对其性能和形成机制进行深入研究。具体研究内容包括：首先，筛选合适的材料，如具有低表面能的聚合物材料（聚二甲基硅氧烷PDMS等）以及可构建微纳米结构的材料（聚苯乙烯PS微球、二氧化硅纳米颗粒等），研究不同材料的特性对超疏水表面性能的影响。其次，采用自组装、溶胶-凝胶