本帖最后由 搁浅 于 2025-7-11 08:45 编辑
在当今全球面临能源危机、环境污染和可持续发展挑战的背景下，科学家们正在寻找各种创新的解决方案。而一种名为“超润湿纳米材料”的神奇技术，正在悄然改变我们对表面工程的认知，并为解决这些全球性问题提供了一线希望。今天，就让我们一起走进超润湿纳米材料的世界，探索它们背后的科学原理、奇妙应用以及对环境的影响。
一、超润湿纳米材料：从自然到人工的跨越
大自然总是充满智慧，许多生物为了在不同的环境中生存，进化出了独特的表面结构来优化与液体的相互作用。比如蚊子的复眼，其表面的微纳结构能够防止雾气凝结，确保蚊子在潮湿环境中也能保持清晰的视野。还有仙人掌的刺，它们能够捕捉雾滴，通过表面的蜡质涂层防止水分过度积累，从而在干旱环境中获取宝贵的水资源。这些自然现象为科学家们提供了宝贵的灵感。
图1. 这张图展示了自然界中具有超润湿特性的生物表面及其微观结构特征，主要关注的是具有防水和自清洁功能的表面。
超润湿纳米材料就是模仿这些自然现象而设计的。它们通过特殊的表面结构和化学修饰，能够实现对液体的超强排斥或超强吸引。这种材料的润湿性能主要通过接触角来衡量，接触角越大，表面的疏水性越强；接触角越小，表面的亲水性越强。科学家们通过精确控制表面的微纳结构和化学成分，可以让材料达到超疏水（接触角大于150°）、超疏油（对油类液体的接触角大于150°）甚至超全疏（对几乎所有液体都具有超强排斥性）的状态。
图2. 这张图展示了自然界中具有空气保持和水下超疏水特性的生物表面及其微观结构特征。
二、超润湿纳米材料的三大“绝技”
超润湿纳米材料之所以如此神奇，是因为它们有三大关键结构设计：
- 微纳层次结构：这种结构通过在微米尺度和纳米尺度上构建复杂的表面纹理，形成大量的空气陷阱，从而实现超疏水性。就像蚊子复眼的微纳结构一样，这些空气陷阱能够阻止水分子与表面的直接接触，使水滴在表面上形成近乎完美的球形，轻轻一碰就会滚落，带走表面的灰尘，实现自清洁功能。
- 内凹结构：这种结构通过设计特殊的表面几何形状，如倒扣的碗状或T形结构，来阻止低表面张力液体（如油）的渗透。这种结构在超疏油表面中尤为重要，因为它能够有效防止油类液体与表面的接触，从而实现对油的超强排斥。
- 双重内凹结构：这种结构是超全疏表面的核心设计。它通过在微纳层次结构的基础上进一步增加复杂的内凹特征，使得表面能够同时排斥水和油等不同类型的液体。这种结构的设计灵感来源于一些能够在极端环境中生存的生物，如能够在湿润环境中呼吸的水生昆虫。
图3.这张图展示了三种基本的超润湿表面结构设计及其对应的横截面几何形状。
三、超润湿纳米材料的奇妙应用（一）节能纺织品
纺织行业是全球最大的能源消耗行业之一，传统的纺织品生产和维护过程需要大量的水资源和能源。而超润湿纳米材料的应用，正在改变这一现状。
超疏水纺织品能够有效防止水分的渗透，减少洗涤次数，从而降低水资源和能源的消耗。例如，研究人员开发了一种基于聚氨酯和二氧化硅纳米颗粒的超疏水涂层，这种涂层不仅具有优异的防水性能，还能够实现自清洁和抗菌功能。这种纺织品在户外服装、医疗防护服等领域具有广阔的应用前景。
图4. 这张图展示了近年来超疏水纺织品制造策略的最新进展。(a) 展示了通过一步电纺法制造的具有热导性的超疏水聚氨酯/氮化硼（FPU/BN）膜。(b) 展示了通过松香酸（RA）和二氧化硅（SiO₂）制备的超疏水涂层及其油水分离性能。(c) 展示了通过氟化交替共聚物改性的棉织物的制备和超疏水性能。(d) 展示了通过沸石咪唑框架（ZIF-67）微粒和十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）改性的疏水二氧化硅（H-SiO₂）纳米粒制备的多功能棉织物。
（二）智能窗户
建筑能耗在全球能源消耗中占据了很大一部分，而智能窗户的出现为建筑节能提供了新的解决方案。超润湿纳米材料使得窗户表面能够根据环境条件动态调节其润湿状态。例如，研究人员开发了一种温度响应型智能窗户，这种窗户表面涂覆了一层聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）聚合物。当温度低于聚合物的临界溶解温度（LCST）时，窗户表面呈现超亲水状态，能够快速排出雨水并保持清洁；而当温度高于LCST时，表面则变为超疏水状态，减少热量传递，从而实现节能效果。
图5. 这张图展示了近年来具有润湿性切换特性的智能窗户的最新进展。(a) 展示了基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）的温度响应型智能窗户，其表面润湿性随温度变化而改变。(b) 展示了通过非超临界方法制备的二氧化硅气凝胶（Siag）及其与聚乙二醇（PEG）的复合材料，用于透明隔热复合材料的制备。
（三）海洋防护涂层
海洋运输是全球经济的重要组成部分，但海洋环境对船舶和海洋设备的腐蚀非常严重。超润湿纳米材料在海洋防护领域也展现出了巨大的潜力。
研究人员开发了一种基于聚乙撑亚胺（PEI）和二氧化钛纳米颗粒的超疏水/水下超疏油涂层。这种涂层不仅能够防止海洋生物的附着，还能减少船舶的阻力，提高燃油效率。此外，这种涂层还具有优异的抗腐蚀性能，能够有效保护海洋设备免受海水的侵蚀。
图6. 这张图展示了近年来多功能海洋防护表面的最新进展。(a) 展示了通过聚乙撑亚胺（PEI）和二氧化钛纳米颗粒改性的环氧树脂（E44）表面，用于制造超疏水/水下超疏油涂层。(b) 展示了受跳虫启发的抗湿表面设计，通过多层次和逐步增加压力抵抗机制实现抗压性能。(c) 展示了通过喷涂法结合硅烷聚合物和氢氧化铝（Al(OH)₃）制备的芽粒状超疏水涂层。
四、超润湿纳米材料的环境影响
尽管超润湿纳米材料具有许多令人兴奋的应用前景，但它们的环境影响也不容忽视。例如，一些用于制造超润湿表面的纳米颗粒（如二氧化钛和二氧化硅）在生产过程中可能会消耗大量的能源，并释放温室气体。此外，这些纳米颗粒在产品生命周期结束时可能会释放到环境中，对生态系统造成潜在风险。
为了实现超润湿纳米材料的可持续发展，科学家们正在探索更加环保的制造工艺和材料。例如，研究人员正在开发一种基于生物降解聚合物的超疏水涂层，这种涂层在使用寿命结束后可以自然降解，减少对环境的影响。此外，研究人员还在探索使用短链含氟化合物来替代传统的长链含氟化合物，以降低材料的环境持久性和生物累积性。
五、未来展望
超润湿纳米材料的未来充满了无限可能。随着技术的不断进步，我们可以期待这些材料在更多领域实现突破。例如，在能源领域，超润湿纳米材料可以用于开发高效的太阳能电池板和风力发电机叶片，提高能源转换效率；在医疗领域，超润湿纳米材料可以用于开发防污、抗菌的医疗器械，减少感染风险。
然而，要实现这些目标，我们需要在性能优化和环境可持续性之间找到平衡。这不仅需要科学家们的不懈努力，也需要政策制定者、企业和公众的共同参与。只有这样，我们才能确保超润湿纳米材料真正成为推动可持续发展的强大动力。
| 
发表于 
