光有还不够：JACS揭示双粗糙表面结构对于超疏水材料的重要性

自然界中，许多植物与昆虫拥有着超疏水的表面。例如，Barthlott和Neinhuis发现的“莲叶效应”。江雷院士等人的工作表明，莲叶的超疏水和自清洁功能来源于微米和纳米级的双粗糙表面结构（毛状体、表皮折叠和蜡晶体），以及上表皮蜡的疏水性质。科学家们通过研究生物体表面的超疏水性的形成机理，仿生制备出超疏水界面材料，并将其自清洁功能应用于多个领域。例如，用超疏水材料修饰丝织品，可防水防污；涂在轮船外壳可以防腐防污；用于石油运输管道上可以防止油滴粘附从而减少消耗。

自然界亲疏水的有机体。图片来源：JACS

以往超疏水仿生材料的研究集中于材料的疏水性能与粗糙结构，但大部分只限于单粗糙表面。目前，日本龙谷大学的Kingo Uchida教授和旭川医学院的Hiroyuki Mayama教授通过光控设计模拟荷叶的双粗糙表面结构，提出双粗糙表面在自清洁过程中起到的重要作用，从而可以进一步提高仿生材料的自清洁效果，相关成果已发表于JACS上。（Fractal Surfaces of Molecular Crystals Mimicking Lotus Leaf with Phototunable Double Roughness Structures. J. AM. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b05562）

单粗糙表面和双粗糙表面示意图。图片来源：JACS

作者采用的材料基于分子二芳基乙烯，1o在紫外光照射下发生闭环反应生成1c，而1c在可见光照射下发生开环反应生成1o。用1o的形成的膜在紫外光照射下，表面可生长针状的晶体1c，而用可见光照射，这些形成的晶体将会融化。

二芳基乙烯光响应开闭环反应。图片来源：JACS

基于此原理，作者用1o制作的微晶（下图1）在紫外光照射下表面形成1c（下图2），放置于50 ºC形成针状晶体（下图3），继续放置24h由于Ostwald-ripening形成杆状结构（下图4）。进一步用紫外光照射，表面会有新的一层1c形成（下图5），70 ºC放置后形成小针状晶体（下图6），并与杆状合并形成更大的杆状晶体（下图7a）。再用可见光照发生开环反应，使表面融化（下图8a），最后再用紫外光照射，使杆状晶体覆盖上一层针状晶体（下图9a），最终形成类似莲叶的双粗糙表面结构。该结构中杆状晶体尺寸为宽10 μm，长21 μm，针状晶体宽为0.2-0.5 μm，长为3-5 μm。

双粗糙表面形成的过程及形貌表征。图片来源：JACS

接下来，科研人员在莲叶表面、单粗糙表面及双粗糙面对水滴弹跳能力做了考察，这对材料的自清洁功能有着重要的影响。他们发现只有在莲叶表面及双粗糙表面能观察到水滴弹跳现象，而在拥有相同接触角与滑动角的单粗糙表面却没有观察到该现象。

三种不同表面的水滴弹跳能力考察。图片来源：JACS

为什么拥有同样接触角与滑动角的不同表面，水滴弹跳能力有如此大的差异呢？为了解释这个现象，他们引入了Laplace压力P_L和动态压力P_d，前者代表抑制浸润的数值，与材料表面结构性质相关，而后者则代表推动力数值，与液滴的冲击力相关。当P_L>P_d时，会发生水滴弹跳现象。由于表面结构的无规则性，他们采用ρ_eff（垂直站立的晶体间的有效间距）来估算P_L的数值，而ρ_eff可以从电镜图上粗略估读。结果他们发现在单粗糙表面，ρ_eff > 500 μm，此时P_L<P_d；而在双粗糙表面及莲叶上，ρ_eff分别是35 μm和20 μm，此时P_L>P_d。由此可以解释上述现象。

机理解释示意图。图片来源：JACS

该工作揭示了双粗糙表面对于超疏水材料自清洁功能的重要性，这为往后设计双粗糙表面的超疏水材料提供了理论基础，并有利于进一步提高仿生材料的自清洁效果。

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b05562

（本文由冰供稿）