自古以來，荷花以其花香清淡，花枝清麗的形象被人們所熱愛。無數(shù)文人墨客傾倒在她亭亭玉立的身姿下，被她“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的品行折服，從而留下許多膾炙人口的詩歌散文，流芳百世。以前古人就發(fā)現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象：當(dāng)水滴落在荷葉上的時(shí)候，并非是散開的，而是呈“珠”狀。清代畫家宋吟在《賞蓮》中就描述了這一現(xiàn)象，“滿塘素紅碧，風(fēng)起玉珠落”。在古代人們只能借助肉眼去觀察這一現(xiàn)象，更無法從科學(xué)的角度解釋它。隨著理論技術(shù)的發(fā)展，這一現(xiàn)象也引起了科學(xué)家們的興趣。

你有沒有思考過這些有趣的自然想象：為什么在下雨天的時(shí)候，瘦小的蜻蜓能夠在雨中飛行而不掉落？為什么水黽可以利用纖長的四肢浮在水面，而不沉入水中？為什么在下雨天，雨水落在荷葉上會像“露珠”一樣滾動？自然界的這些奇特現(xiàn)象，吸引了許多仿生科學(xué)家們的興趣。研究人員通過對這些現(xiàn)象的觀察，發(fā)現(xiàn)在這些動、植物表面都含有特殊的幾何結(jié)構(gòu)。它們與水的接觸角度均可達(dá)到150°以上。僅僅以荷葉為例，荷葉表面由許多平均直徑為（124.3±3.2）nm的納米分支結(jié)構(gòu)組成。水在荷葉表面的接觸角度和滾動角度分別為（161±2.7）°和2°。當(dāng)雨水落在荷葉表面的時(shí)候，因?yàn)樗魏秃扇~的接觸角度很大但滾動角度很小，所以雨滴會像“露珠”一樣，并且容易發(fā)生滾動。這種現(xiàn)象稱為“超疏水效應(yīng)”，仿生科學(xué)家們向蜻蜓、荷葉們學(xué)習(xí)，利用“超疏水效應(yīng)”為突破點(diǎn)，在金屬腐蝕防護(hù)方面發(fā)揮重大作用。

圖1 荷葉和蜻蜓翅膀超疏水現(xiàn)象

一、超疏水現(xiàn)象原理

為什么會產(chǎn)生這種奇特的現(xiàn)象？解釋這個(gè)問題，我們要先從理論上入手。首先，物體表面的潤濕性指物體表面的氣體被液體逐漸取代的過程。通常用“接觸角”這一標(biāo)準(zhǔn)來衡量物體潤濕性。接觸角是指氣體-液體界面在氣體-液體-固體三相接觸點(diǎn)處的切線與固液界面的夾角。其次，世間天地萬物只有處在動態(tài)平衡中，才能保持穩(wěn)定狀態(tài)，接觸角的存在就是液體在氣、液、固界面表面張力平衡的結(jié)果。然而在實(shí)際情況中，只依靠接觸角來維持界面三相平衡不現(xiàn)實(shí)。在實(shí)際情況下，液滴的動態(tài)過程還應(yīng)該考慮液滴在微小作用力下的運(yùn)動情況，常用“滾動角”來衡量。

圖2 接觸角示意圖

但是實(shí)際情況往往比理想條件下復(fù)雜的多。要合理解釋超疏水現(xiàn)象，還要考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，既粗糙度對物體表面潤濕性的影響。

在超疏水表面理論的發(fā)展歷史上，有兩個(gè)經(jīng)典的理論模型，分別是：Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。1936年，Wenzel首次將粗糙度因子引入潤濕性理論，提出了經(jīng)典的Wenzel模型，如下圖所示。該模型認(rèn)為，固-液實(shí)際接觸面積大于固體表面投影面積。當(dāng)液體與固體表面接觸時(shí)，液體完全填充在表面的粗糙結(jié)構(gòu)中。Wenzel模型對超疏水理論發(fā)展而言具有奠基意義，但是它仍然存在不足之處，并不適用于物質(zhì)組成多樣性的粗糙表面。1944年，Cassie和Baxter在Wenzel模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改。他們認(rèn)為液體與固體接觸時(shí)，固-液接觸面上仍截留一定的空氣，固-液接觸實(shí)際上為固-液和氣-液的復(fù)合接觸。

圖3 Wenzel模型和Cassie-Baxter模型

讓我們再把目光轉(zhuǎn)向荷葉“超疏水”效應(yīng)，嘗試著用理論模型來解釋它。從下圖中掃面電子顯微鏡下的形貌（右，比例尺為1μm）可以看出，荷葉粗糙上表面含有許許多多的微小乳突。這些乳突大小不一，密密麻麻的排列著，像一個(gè)個(gè)連綿起伏的“小山包”。這些“小山包”之間的凹陷部分充滿空氣。如此一來在緊貼葉面之上就形成了一層極薄的空氣層。水滴的直徑相比于乳突的直徑要大得多，當(dāng)雨滴落在荷葉表面，接觸到的只是乳突頂端的接觸點(diǎn)，又存在空氣層的阻礙，因此無法完全潤濕荷葉表面，只能形成“珠”狀，更符合Wenzel模型和Cassie模型混合存在的情況（圖3 c）。經(jīng)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面具有粗糙的微觀形貌和具有疏水作用的表皮蠟。這種特殊的結(jié)構(gòu)將荷葉表面的空氣牢牢鎖住，進(jìn)而防止水將表面潤濕。因此，水滴在荷葉上形成一個(gè)球形（圖4左），形成“大珠小珠落玉盤”的奇特現(xiàn)象。

圖4 荷葉表面（左）以及在掃面電鏡下的形貌（右，比例尺為1μm）右圖

荷葉的這種自清潔效應(yīng)可以有效地防止其表面被雜質(zhì)污染，表面灰塵也會被雨滴帶走。這便是古人所說的“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”。

二、超疏水現(xiàn)象在腐蝕防護(hù)中的應(yīng)用

今年是我國海軍建設(shè)70周年，我國海軍順利實(shí)現(xiàn)了從“蔚藍(lán)”走向“深藍(lán)”的偉大轉(zhuǎn)變。但是在海洋環(huán)境下金屬很容易發(fā)生氧化腐蝕，對由金屬材料制造的各種軍事裝備構(gòu)成了巨大威脅。超疏水表面具有防腐蝕功能，在水面艦艇、潛艇、魚雷等海軍裝備表面處理方面存在巨大應(yīng)用價(jià)值。在海洋腐蝕防護(hù)中，一方面，超疏水表面膜層中的空氣可有效抑制金屬基底與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，從而降低腐蝕速率，起到腐蝕防護(hù)的作用；另一方面，在海洋大氣環(huán)境中，超疏水表面以其特有的“自清潔”效應(yīng)，使附著在金屬表面的鹽粒潮解滑移。如下圖所示，鹽粒在超疏水表面的潮解過程中會在表面張力的作用下逐漸向上抬升。在液體潤滑和表面低粘附力的共同作用下，潮解的鹽粒可在傾斜的超疏水表面發(fā)生滑移，進(jìn)而避免了因潮解形成的強(qiáng)電解質(zhì)溶液對基體的腐蝕。

圖5 NaCl鹽粒在超疏水表面上的潮解滑移行為

在航空材料領(lǐng)域，惡劣的大氣環(huán)境容易引發(fā)金屬腐蝕現(xiàn)象。我們知道，鋁合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、強(qiáng)度高而質(zhì)地輕等特性。因此，鋁合金在航空領(lǐng)域經(jīng)常被用作飛機(jī)蒙皮和壁板。在酸性或者堿性環(huán)境中，鋁合金表面的保護(hù)膜——氧化鋁會溶解，這將使其發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)，在鋁及其合金表面制備超疏水表面可以彌補(bǔ)這一弊端。研究人員通過陽極氧化方法，在鋁表面構(gòu)建出許多具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜。通過考察不同電壓對氧化鋁薄膜潤濕性的影響，研究人員發(fā)現(xiàn)經(jīng)過20V電壓制備后，鋁合金表面具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)這種超疏水表面具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于航空飛機(jī)防冰。這種超疏水金屬表面對于航空工業(yè)而言具有重要意義。

圖 6 飛機(jī)蒙皮腐蝕現(xiàn)象

值得一提的是，鈦合金作為制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的重要金屬，在惡劣的大氣環(huán)境下，會受到嚴(yán)重的熱腐蝕威脅。當(dāng)溫度超過650℃，鹽霧與燃料中的釩、硫作用，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件上形成硫酸鹽化合物，從而降低鈦合金的耐蝕性。這對飛機(jī)發(fā)動機(jī)而言是致命的潛在危害。通過在鈦合金基底構(gòu)造超疏水表面，可大大提高鈦合金在極端環(huán)境下的耐腐蝕性能。研究人員通過在鈦合金基底構(gòu)建超疏水CeO2納米棒結(jié)構(gòu)，考察CeO2納米棒在鈦合金表面耐鹽霧性能。經(jīng)過了兩周的鹽霧試驗(yàn)后，鈦合金表面顏色幾乎沒有發(fā)生改變，顯示了良好的耐腐蝕效果。此外，通過HF對鈦合金表面進(jìn)行刻蝕，也可以制造出超疏水表面，提高其耐蝕性。

三、結(jié)語

腐蝕作為各行各業(yè)都不得不面對的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，每年不僅給社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還給人們帶來各種安全隱患。小到日常生產(chǎn)生活中的金屬銹蝕，大到國防軍艦的安全防護(hù)，都需要開發(fā)更加環(huán)保、高效的防腐措施。近年來，仿生超疏水表面的應(yīng)用越來越廣泛，在織物、金屬表面防護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是在金屬腐蝕防護(hù)方面，超疏水表面仍舊存在穩(wěn)定性較差、機(jī)械強(qiáng)度不高等顯著缺陷；目前也沒有有效地大規(guī)模制備超疏水表面的方法；超疏水表面的研究金屬基材也僅僅局限于銅、鋁、鐵等常見金屬。為了解決上述問題，需要研究人員向大自然不斷學(xué)習(xí)，共同攻克這些難題。這個(gè)過程必定是艱苦的，“世之奇?zhèn)?，瑰怪，非常之觀，常在于險(xiǎn)遠(yuǎn)，而人之所罕至者焉”，發(fā)現(xiàn)前人所不曾發(fā)現(xiàn)的自然奧秘，這也是科研探索最純粹的樂趣所在。大自然的智慧無窮無盡，她不僅哺育了人類，更在億萬年的進(jìn)化過程中構(gòu)造了這個(gè)奇特的世界。作為人類，我們應(yīng)該懷著一顆敬畏、感恩之心去對待自然，從自然界汲取智慧。

四、夢能服務(wù)與支持

1、免費(fèi)樣品

如果您對我公司的工業(yè)重防腐油漆產(chǎn)品有需要或者申請樣品試用，請與我們的客服人員取得聯(lián)系。400-878-0506

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夢能對技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理，從專業(yè)培訓(xùn)到日常報(bào)告的管理都有一整套完善的體系。夢能公司每年都會對技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計(jì)，以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專業(yè)素質(zhì)，每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗(yàn)儀器，儀器設(shè)備均按規(guī)定的時(shí)間期限進(jìn)行定期校驗(yàn)，以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。

4、購買通道

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