【gong果凍的回答(36票)】:

請允許我先喊一句口號，“仿生材料學萬壽無疆”！

特殊浸潤性是現(xiàn)在老火的領域了，我的水平很低，修學分的時候認真讀過一篇二十幾頁的綜述，還有一篇十幾頁的嘛不太記得了，總之其實可次，就是瞎叨叨，有錯誤請專家不吝批評指正。

問題是疏水表面是怎么制作的，主要在“怎么”上。物理化學里面的內(nèi)容，我不太記得，也不想多說了，總之物理化學也萬壽無疆。感興趣的朋友也可參考上面的答主提到的浸潤性、接觸角和滾動角等內(nèi)容。我這種混流氓行的，對于具體的計算、公式什么的，特別無能。下面的描述中，也將偷換概念，偷懶，耍流氓，講成一些不特別嚴謹?shù)菓摶菊_的東西。

仿生學為超疏水材料的制備提供了最初的依據(jù)。

有答主提到了“荷葉效應”，對的，大多數(shù)的超疏水材料構筑都有參考荷葉表面結構。

而荷葉的表面結構特征有兩點：

其一，特殊微納結構。

其二，生物蠟。

具體展開一下，圖片來自文獻Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3240–3255。

（嘿，既然是科普性質(zhì)的，我先說明，我已經(jīng)是二次引用，感興趣的同學請自行搜索上述文章及其參考文獻，對綜述作者北航的劉克松老師、江雷老師等以及參考文獻的作者們表示感謝，感謝他們出色的工作，提供了這么美的圖片。）

特殊微納結構解釋一下，上圖是把荷葉表面進行放大，B中可以看到一片片密集的凸起，C中可以看到單個凸起表面的精細結構，文中描述是”cilium-like”（纖毛狀的），凸起是“微”，纖毛是“納”，一直講的微納結構就是指這種在μm和nm兩個尺寸上的結構組成。

再看一幅圖片，這是玫瑰花表面的高倍SEM（SEM就是電子顯微鏡，具體原理與本文關系不大，不贅述）圖片，可以看出，雖然精細結構不盡相同，但是大致是類似荷葉的微納結構。再看一幅圖片，這是玫瑰花表面的高倍SEM（SEM就是電子顯微鏡，具體原理與本文關系不大，不贅述）圖片，可以看出，雖然精細結構不盡相同，但是大致是類似荷葉的微納結構。

這種微納結構為什么能疏水呢？

科學地講，應該用物理化學的模型進行計算和說明，如下圖。

但是我不太會講，也不太想翻譯文獻內(nèi)容了因為真正愛學的少年可以自行去研究。但是我不太會講，也不太想翻譯文獻內(nèi)容了因為真正愛學的少年可以自行去研究。

剩下的朋友們，我們這么理解一下：

水其實在表面張力的作用下，會形成一個球，因為這種狀態(tài)下的表面張力最??；微納結構的表面充滿了一個又一個的小空間，里面是充滿空氣的，成為一個小氣室；如果水珠足夠小，則這些小水球可以擠出氣室里的空氣，進入氣室，和材料表面融為一體，也就是潤濕材料表面；可實際上，氣室的尺寸很小，微納米級別，水珠比較經(jīng)常形成的尺寸相較而言很大，一般在毫米級別，不能夠進去氣室，于是形成了一種水珠在材料微納結構表面放著，不進去的狀態(tài)。

（嗯，這個解釋我感覺有些許不嚴謹，但是具體在哪里我真的不知道，誰知道，請告知。）

然后，這層結構表面覆蓋了一層生物蠟，生物蠟是一種低表面能、疏水的物質(zhì)，它加強了微納結構的疏水效果。其它的，例如氟硅改性的各種烷啊之類表面能低的物質(zhì)，它們制備出的材料，自身也會具有一些疏水的性能。

講明白了上面兩點，就是疏水材料仿生構筑的內(nèi)容了。

一般有兩種途徑：

其一，體材料，也就是塊材比如板啊制件啊什么的，直接進行表面疏水結構構筑和處理。

其二，制備成超疏水涂料，噴上去讓目標物變成超疏水的。

兩種方法是相輔相成的，都需要先盡量滿足微納結構合理、穩(wěn)定，然后再修飾一層低表面的物質(zhì)起到類似生物蠟的作用，以達到更好的效果。

題目里問到的化學反應這種提法太籠統(tǒng)了，物理和化學的方法都可以且會用到吧。仿生構筑是一項充滿了藝術想象力的工作，基本上所有的物理和化學的手段都可以試一試，都有人在試，都也許可以成功制備疏水和超疏水表面。

從體材料和涂料上稍微講一下具體內(nèi)容吧。

體材料。如上圖，首先使用硅獲得微米級的硅線陣列，然后修飾上一層納米結構。（原始文章我沒看，又坑爹了，綜述里說是self-assembly of tubular plant waxes生物蠟管自組裝，哇撒，不做這個方向，沒那么多時間細研究。）體材料。如上圖，首先使用硅獲得微米級的硅線陣列，然后修飾上一層納米結構。（原始文章我沒看，又坑爹了，綜述里說是self-assembly of tubular plant waxes生物蠟管自組裝，哇撒，不做這個方向，沒那么多時間細研究。）

此外，陣列的獲得方法真心可多，從物理氣相沉積到化學刻蝕，水熱法，電沉積，都是可以的。操作起來，也不盡相同。

電沉積也許就是十塊錢的事兒，有溶液，溶解了所需電解質(zhì)，通上電，就會在基體上長出來；可如果要長得漂亮，就需要精細控制反應條件了，想要效果好，可能就貴了麻煩了。物理氣相沉積，起點就天差地別了，好一點的儀器大概要到上千萬，但是可以沉積高溫合金，高端大氣上檔次，火焰噴到了5m，溫度范圍可廣，能加工好多東西。（特別外行的朋友，我給你講，高溫肯定是個特別難搞的事情，要能加熱到高溫就不容易，到了那個溫度，反應都可活躍，需要防范的事情就非常多，反應物和產(chǎn)物別被氧化或跟別的東西反應了，就需要高度密封，適度降溫，精準控溫，是非常復雜的設計，我不做儀器，具體的不懂怎么做，只知道非常難……n(*≧▽≦*)n ……）

涂料，先明確兩個概念，涂料和涂層。涂料涂裝以后叫涂層。

展開。涂料一般是液態(tài)或粉末的，經(jīng)過施工，涂裝到基材或機器表面，然后固化成型，最終形成的那一層保護層叫涂層。就這樣講，我們講的涂料就是家里買的乳膠漆什么的，可一旦涂完了再講說掉漆，那時候的漆就是我們說的涂層，掉漆就是涂層被破壞了。o(╯□╰)o……

涂料的疏水構筑和體材料就不太一樣，基本上是不可能獲得上面的納米線陣列那么規(guī)則的表面的，雖然那么整齊也不是特別有必要，因為荷葉的陣列也并不整齊，自然界原本就充滿了隨機這種美感?？晌抑v的又不全是廢話，其實獲得單鋪一層的陣列結構都很難，因為涂料固化的過程中，里面的物質(zhì)并不聽話，不是你讓它排隊它就好好排隊，還站一層且永不疊羅漢的，它們疊羅漢，疊完了還會垮。所以，就比較難。

疏水涂料靠的一個是自身表面能低，另一個就是加上顏填料調(diào)整涂裝性能和涂料固化過程，盡量獲得一個良好的疏水涂層表面。

涂料的制備包括化學反應如水解、聚合等，也可以是物理的高速機械分散，還可以是電化學的方法，總之也是多種多樣的。

我一個師兄在用種子乳液聚合做一種疏水涂料，可能非常符合普羅大眾對于化學工作者的想象，就是拿一些瓶瓶罐罐組裝起來，倒進各種液體去，讓它反應。~(≧▽≦)/~

總結：

1 疏水材料非常神奇，從發(fā)現(xiàn)荷葉效應受到啟發(fā)開始，世界各地充滿了研究者、課題組前赴后繼地做研究，特殊浸潤性是和納米材料互有滲透的交叉前沿學科。

2 從方法論的角度，一些非常傳統(tǒng)，非常簡單的反應可以用來構筑疏水表面；也有一些高端大氣上檔次，好多人見都沒見過，想都沒想過的方法，在被用來做特殊浸潤性表面。（比如我真的還沒見過活的等離子束物理氣相沉積，我見識短……）

3 從目前的結果上看，現(xiàn)在戶外設備如沖鋒衣啊什么的，已經(jīng)在用一些超疏水涂層了，缺點是耐用性似乎比較差，我的沖鋒衣一開始是有荷葉效應的，洗了一次以后就只能防水了，再沒有水珠排排隊、亭亭玉立的那種美感了……因為超疏水涂層要基于一定的微觀結構才更有效，僅靠低表面能不容易做到效果特別好，而想讓一個東西排排隊站好還永遠不亂，是違反了熵增定律的，在一定程度上也是反人類反科學的。

此外，建筑外墻涂料，是一直有一些自清潔的效果的，有一種是靠超親水自清潔，也有是靠超疏水的。還有汽車、衛(wèi)浴什么的，都有產(chǎn)品問世啦。研究也依然火熱。

超疏水，超疏油，超雙疏就像永動機一樣，是一個可美好可美好的夢想，帶來的自清潔、不沾污等附加效果，想想我都要流！口！水！了！

（舉了個爛例子，超疏是可以實現(xiàn)的，永動機不能……）

噴一噴，衣服家具都再也不臟，沒有了家務，家庭矛盾去無蹤！真心的，不用干活兒了，大家都不累，何必吵架，嘿！

人類的幸福未來，說起來，就放在特殊浸潤性研究上了！

所以說，仿生材料學萬！壽！無！疆！

祝所有研究者長命百歲，實驗順利！

謝謝閱讀，祝好！

【馮小眉的回答(5票)】:

潤濕性是固體表面的重要性能,描述潤濕性的物理參數(shù)為液滴的接觸角。

既然是疏水材料，那么這種材料的水接觸角必然大于一個固定數(shù)值，目前學術公認的數(shù)值是90度。那么要制作這種大接觸角的材料一般需要考慮的影響因素首先是表面能，表面能與接觸角的大小有直接的關系,低表面能物質(zhì) (硅烷化試劑、烷基化試劑和碳氟化合物等 )對于增大水滴接觸角,增強表面的疏水性能具有重要作用。也就是說，在某種固體材料的表面修飾上低表面能物質(zhì)可以增大其疏水性。

除了化學因素外,表面物理結構形貌特別是微觀幾何是決定疏水的關鍵因素。大量的理論和實驗表明,只要有合適的微觀粗糙結構,在較小的本征接觸角條件下也能使液滴處于穩(wěn)定的復合潤濕態(tài)（參考荷葉的疏水結構）。還有，一個潤濕系統(tǒng)由固體表面、液滴、外部環(huán)境組成。為達到理想的超疏水性,固體表面的內(nèi)在作用可在外部環(huán)境的刺激下得到進一步加強。更重要的是,通過外界影響,可人為調(diào)控超疏水行為,這對將來發(fā)展各種機敏智能超疏水材料意義重大。外部環(huán)境作用主要包括聲、光、電、熱、振動、壓強等,它們對表面潤濕性質(zhì)有極大影響。

不過，我個人認為，題干中的疏水材料制作，主要應該是考慮物理和化學因素，可以在基材上設計合理的微納米結構進行蝕刻，然后通過化學反應或者吸附等物理過程修飾低表面能物質(zhì)，就能制作出疏水材料甚至是超疏水材料（接觸角大于150°）。

【榮景昱的回答(15票)】:

搬磚歸來感覺自己現(xiàn)在挺適合回答這個問題……

1.疏水性原理

問題是疏水表面是如何制作的，在搞清楚制作之前我想應該先搞清楚疏水原理。疏水性的概念以及接觸角，滾動角神馬的其他答主也都回答過了，制備超疏水表面實際上就是在模仿荷葉表面的內(nèi)種微-納雙尺度結構，并經(jīng)過低表面能物質(zhì)修飾，從而達到超疏水性的效果。

這種微（乳突）納（納米線）雙尺度結構為什么會產(chǎn)生疏水性能呢？這要從浸潤模型講起。

最早人們認為固液表面是光滑接觸的（young模型）。1936年Wenzel認識到，實際應用中不存在絕對光滑的理想表面，而是粗糙表面上的凹槽被液體完全填充，僅存在固-液接觸。這便是中間圖所示的Wenzel模型。1944年，Cassie在Wenzel模型的基礎上進一步對Young公式進行了改進，提出了Cassie模型：當表面結構疏水性較強時，粗糙表面上的凹槽并非全部由液體填充，可能會有氣體存在于兩者之間并形成氣-固-液三相接觸，神奇么？就像是空氣墊和凹槽一起將表面液體“撐”了起來~至于到底是形成Wenzel狀態(tài)還是形成Cassie狀態(tài)，當固液氣聯(lián)合表面張力大于重力，以及納米尺度粗糙結構足夠高能撐起液滴的時候通常為Cassie狀態(tài)。不知是否能回答 @濟楚 的問題。所以荷葉表面的微納雙尺度粗糙結構，并不是隨意構造出來的，而是自然界進化了千年的最精密的結構。這樣的結構有利于 Cassie狀態(tài)的形成，接觸角也最大。從能量角度看，這樣的結構單位投影面積下接觸面積最大，經(jīng)低表面能修飾的這種表面能量最低，液體有自發(fā)鋪展的傾向。

2.應用

那么超疏水表面到底有什么用處呢？一個很有前景的方面就是利用其自清潔效應。你想，水滴要是能在表面鋪展并隨意滾動，表面的臟東西不都被卷走了么，想輪船表面這種容易附著海中雜質(zhì)以及容易生銹的表面不就能變得更加耐用么。另外，近期研究已經(jīng)證明超疏水表面在防污防積雪、微流體及無損傳輸?shù)确矫嬗羞@重要應用。

3疏水表面的制備

終于說到如何制備了，制備的關鍵就是構建表面的內(nèi)種粗糙結構，并經(jīng)過低表面能修飾。目前比較流行的方法都是偏化學的方法，如電化學方法，溶膠-凝膠處理法，刻蝕法，化學化氣相沉積等等學化學的童鞋們比我懂。但是這些方法都有共同的缺點：制備步驟復雜，設備、原料昂貴，副產(chǎn)品難以清理。且機械強度并不理想，長期暴露于大氣環(huán)境中時，受各種污染物或是灰塵影響，加之光照、輻射一系列因素的持續(xù)作用，導致表面不再表現(xiàn)出超疏水性能。故難以在工業(yè)上大批量應用。我最近做的是拿冷噴涂的方法制備。冷噴涂（設備如下圖）是通過高速固態(tài)顆粒依次與固態(tài)基體碰撞后、經(jīng)過適當?shù)淖冃卫喂探Y合在基體表面而依次沉積形成沉積層的方法。這種方法具有涂層與基體結合好，成本低，易于修復，環(huán)境友好，適于大面積制備結構穩(wěn)定性較好的微米/階層結構涂層，對基體與噴涂材料要求少，因此，研究冷噴涂方法制備疏水表面具有非常重要的科研及實用價值。（別管對不對導師是這樣說的……）

4結果

我采用的原材料是Cu粉末，通過控制噴涂的工藝參數(shù)可以得到初級的微米結構如圖，是不是很像荷葉表面的乳突呢….

然后將涂層氧化得到納米結構的Cu2O。溫度過高或保溫時間過長會長出納米線，但實際上這樣減小了液滴和表面的接觸面積，不利于液滴鋪展（太細也會撐不住的….）所以我們果斷拋棄納米線結構。

結果如何呢？通過低表面能的氟硅烷修飾，我們制得的涂層接觸角都在150度以上。因為這時候滾動角（開滾臨界角度）已經(jīng)很小了，所以很難拍到液滴停在表面的照片，經(jīng)常是一接觸就跑了。結果如何呢？通過低表面能的氟硅烷修飾，我們制得的涂層接觸角都在150度以上。因為這時候滾動角（開滾臨界角度）已經(jīng)很小了，所以很難拍到液滴停在表面的照片，經(jīng)常是一接觸就跑了。

5 寫在最后

提醒大家，超疏水雖然聽起來很厲害的樣子，不過真要運用到實際生活中，恐怕還要很長一段時間。就拿我這次做的來說吧，有一步很關鍵的是通過氧化Cu構建納米尺度次級結構。實際中可能么？難道造好了輪船能整個扔到爐子里加熱？

所以也許這是又一大坑，歡迎大家入坑或和我來討論昂~

.

【李鴻的回答(1票)】:

這個未必啊，表面效果也能達到。@馮小眉的理論說 的很清楚了，我只補充具體實驗：

N年前，在我還是碩士研究生的時候，做過三種疏水材料，一個是純靠手工打磨，來達到表面憎水的效果，當時打磨的好像是一種鋁合金材料了吧，用金相砂紙，打磨出來的。這個太久遠了，09年了，不太記得了。

后來，做鋁陽極氧化，用高純鋁，99.995%的高純鋁，做氧化鋁膜，然后，在正硅酸乙酯-乙醇溶液中封閉，也能做到表面憎水的效果。

還做過一段時間的鎳-鉻復合鍍層，不過這個有點失敗，因為本身，鉻，尤其是六價鉻存在的時候，就會影響鎳在陰極的沉積行為，當年我用了幾種材料，304鋼和99.999%的鐵上，都沒重現(xiàn)性，偶爾，冷不丁的成功一個。

【葉如一的回答(3票)】:

疏水表面常見的制備方法有溶膠凝膠法、 化學修飾法、 噴涂法、 液相法、 化學蝕刻法、 水熱法、 微相分離法、 原位聚合法、 靜電紡絲法、 陽極氧化法等，都是近幾年出現(xiàn)的疏水表面的制備方法。人工制造疏水表面雖然時間不長，但發(fā)展十分迅速，好的制備方法也越來越多。

【崔小夢的回答(4票)】:

不是做這個方向的，但是我們畢業(yè)要求做個跟自己方向無關的original research proposal, 我選的方向是這個。樓上大部分講的都是lotus effect, 總而言之靠的就是wax 的hierarchicaltextures，再簡單點就是微米結構上覆蓋納米結構，疏水的原理是靠液體和固體界面之間形成空氣層。

但是，但是，這不fashion,新的潮流有兩個非常，非常有意思的方向：

一個呢就是模擬豬籠草，豬籠草就是吃蟲子的植物，就是這貨，

他們靠分泌lubricant liquid在表層，當昆蟲落在上面，哎呀，腳一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模擬的方法也很簡單，就是造個texture吸附一層相關的lubricant liquid，下面就是哈佛那個組的工作：他們靠分泌lubricant liquid在表層，當昆蟲落在上面，哎呀，腳一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模擬的方法也很簡單，就是造個texture吸附一層相關的lubricant liquid，下面就是哈佛那個組的工作：

這個方向可以延展到非常多的方向，我還沒defense呢，就先不講自己idea了。這個方向可以延展到非常多的方向，我還沒defense呢，就先不講自己idea了。

另一個特別有趣的就是完全完全單靠刻蝕（lithography):

單靠刻蝕，不在乎是什么材料，靠的呢就是用物理界面調(diào)節(jié)視覺contact angle，真實的液體和界面的contact angle 沒有改變。想法真的非常好，看到的時候覺得這才是富有創(chuàng)意的idea，當然也可能自己paper讀的還是少。就是這結構：

Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213

兩個都是發(fā)在頂尖雜志，大家都知道的。

我辛辛苦苦碼些答案不容易啊，最近認真寫的答案都沒人贊，妄我掏心掏肺的，放棄刷購物網(wǎng)買裙子的時間，哭，都不想寫了呢。賣個萌，求贊~~

【JiaWeiLIN的回答(0票)】:

一般的防水涂層就是通過在表面沉積一層薄膜，這種薄膜的分子間隙比水分子還要小，類似Parylene。Liquipel這間公司好像在做。

【于一的回答(0票)】:

專業(yè)知識淺薄，只說一下我所接觸的一種材料-OTS。

我做的材料一般都是在硅片表面涂覆一層OTS，使得硅片表面改性，產(chǎn)生疏水性能。其實是硅片表面的SiO2與OTS發(fā)生反正產(chǎn)生了疏水性能的官能團。制備方法很簡單，就是浸泡，不過條件要求比較苛刻，需要無水環(huán)境。

每每做這個都在想，若是能把騎車玻璃浸泡一下，表面有一層疏水性能的膜，以后開車就再也不用擔心車內(nèi)外溫差會產(chǎn)生水汽了，也無需擔心下雨有水漬啦。

【劉未的回答(0票)】:

淘寶上有得賣 三疏：疏油 疏水 疏溶劑 記號筆寫不上 油漆涂不上 還有的不干膠也粘不上 。LZ要給你鏈接不？

【楊凱威的回答(0票)】:

參考聚乙烯醇

原文地址:知乎