如果你仔細(xì)觀察過(guò)荷葉上的水珠，就會(huì)發(fā)現(xiàn)圓滾滾的水珠向四面逃竄，生怕被捕捉到似的，半點(diǎn)駐足都沒有。水珠能在荷葉上如此“絲滑”，是因?yàn)楹扇~是超疏水材料。

荷葉表面的微米-納米乳突結(jié)構(gòu) | 參考文獻(xiàn)[1]

受到荷葉表面微觀形貌和化學(xué)成分的啟發(fā)，科學(xué)家們總結(jié)出了制造超疏水表面的一般法則：一是需要在材料表面構(gòu)建微米-納米級(jí)微小粗糙結(jié)構(gòu)，如同荷葉表面的乳突狀結(jié)構(gòu)一樣；二是需要材料表面有較低的表面能，固體物質(zhì)的表面能越低，疏水性就越好，因此需要盡量降低表面能。從這兩點(diǎn)出發(fā)，近二十年來(lái)，人工制造的超疏水材料得到迅速發(fā)展，甚至部分產(chǎn)品已經(jīng)投入了市場(chǎng)進(jìn)行商用。

人工超疏水表面在自清潔方面的應(yīng)用 | 參考文獻(xiàn)[2]

自清潔材料，本身卻不清潔

然而，微小粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能這兩個(gè)必要條件，卻也成為超疏水材料的軟肋，阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。首先，材料表面的微小結(jié)構(gòu)是相當(dāng)脆弱的，很容易在日常磨損中被破壞，這就要求材料本身具有更高的強(qiáng)度。

近年來(lái)關(guān)于超疏水材料的前沿研究，大部分都是朝著材料“更硬、更強(qiáng)、更韌”的方向努力。但更高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致材料難以降解，用于構(gòu)成粗糙結(jié)構(gòu)的納米顆粒也難以回收。

同時(shí)，為了降低表面能，需要使用大量對(duì)環(huán)境和人體危害極大的低表面能改性劑，這些都會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。超疏水材料的優(yōu)勢(shì)特性之一，是材料具有自清潔性能，可以保護(hù)表面不受污染，降低維護(hù)成本，達(dá)到降低能源和資源損耗的目的。然而，制作它所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題卻違背了這一初衷。

因此，在高強(qiáng)度的超疏水材料大規(guī)模投入市場(chǎng)之前，我們或許需要先考慮如何解決這些材料在制備、使用以及廢棄后的各個(gè)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

“綠化”超疏水材料

實(shí)際上，在解決超疏水材料所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題方面，材料科學(xué)家們也提出了一些可能的策略，比如用可生物降解的塑料制備超疏水材料。提出這一策略的出發(fā)點(diǎn)是好的，具體應(yīng)用卻可能產(chǎn)生問(wèn)題。這些可生物降解的塑料在單獨(dú)使用時(shí)或許能夠滿足環(huán)保要求，但是在超疏水材料中，這些材料并非單獨(dú)使用，為了得到疏水性，還需要使用改性劑進(jìn)行表面改性，以及加入大量的顆粒來(lái)得到粗糙結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致這些塑料基體雖然本身可以降解，但在降解過(guò)程中卻也把其他有毒的化學(xué)物質(zhì)及納米顆粒釋放到了周圍環(huán)境中。因此，這類為環(huán)保而生的可降解塑料并不適用于制備超疏水材料，能解決污染問(wèn)題的新方法仍待發(fā)掘。

以生物質(zhì)材料制備成的超疏水涂層 | 參考文獻(xiàn)[3]

近年來(lái)，科學(xué)家們研發(fā)了一些在特殊化學(xué)環(huán)境下可快速降解，并且可以高效回收的高強(qiáng)度塑料，這成為可降解、可回收塑料體系的又一分支。其中，2014年Garcia, J.等人發(fā)現(xiàn)了一種在酸性條件下可降解、可回收的熱固性聚合物聚六氫三嗪（PHT），這種聚合物兼具高強(qiáng)度和可降解、可回收等性能。受這種材料的啟發(fā)，2021年5月，蘭州大學(xué)門學(xué)虎團(tuán)隊(duì)、中科院蘭州化學(xué)物理研究所張招柱團(tuán)隊(duì)，以及英國(guó)瑪麗女王大學(xué)陸遙團(tuán)隊(duì)通過(guò)合作，提出將PHT與疏水顆粒結(jié)合，用該策略實(shí)現(xiàn)超疏水材料在制備、使用和廢棄后處理等各個(gè)環(huán)節(jié)的綠色無(wú)污染。

將PHT與疏水顆粒結(jié)合，提出可降解、可回收超疏水材料的設(shè)計(jì)思路 | 參考文獻(xiàn)[4]

不同于前人的方法，門學(xué)虎團(tuán)隊(duì)在這一工作中用水相反應(yīng)制備PHT納米顆粒，以便與經(jīng)過(guò)表面改性的各類疏水顆粒均勻混合?；旌虾蟮姆勰┩ㄟ^(guò)熱壓方法制備出致密的塊體材料，其表面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的打磨與刻蝕處理后，具有了像荷葉表面一樣的粗糙結(jié)構(gòu)以及超疏水性。超疏水材料的制備完全在水相體系中，避免了有機(jī)溶劑污染。

相較于已有的超疏水材料降解、回收途徑，通過(guò)這一方法制備出的材料基體可以在酸性環(huán)境中快速降解，降解液中包含的小分子可進(jìn)行回收，而疏水顆粒也可通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾進(jìn)行回收，并再次用于制備材料。這種降解與回收方式，避免了白色污染，原料的回收效率在90%以上，資源利用率大大提高，同時(shí)，顆粒的回收也消除了產(chǎn)生粉塵污染的可能。可以說(shuō)，將PHT與疏水顆粒結(jié)合這一策略在各個(gè)環(huán)節(jié)都降低了超疏水材料產(chǎn)生環(huán)境污染的可能性。

不僅如此，材料降解中的一處細(xì)節(jié)包含著研究人員為環(huán)境著想的苦心——超疏水材料的加入使原本能在酸中降解的PHT獲得了耐酸性，為了保持疏水性的同時(shí)，保持可降解性，研究人員使用微量的乙醇作為“激活”可降解性的“鑰匙”——加入乙醇后的材料可以在兩小時(shí)內(nèi)快速降解，這一巧妙的辦法實(shí)現(xiàn)了材料的化學(xué)穩(wěn)定性與可降解性之間的雙贏。

可降解性被“激活”后，材料可在兩小時(shí)內(nèi)降解，并且可以回收 | 參考文獻(xiàn)[4]

在解決問(wèn)題中進(jìn)步

當(dāng)然，這一研究也有自身局限——首先，雖然顆粒的回收率高達(dá)90%以上，避免了浪費(fèi)也降低了污染，但顆粒仍需要提前進(jìn)行表面修飾，并且回收的疏水顆粒最終仍會(huì)面臨如何處理的問(wèn)題。其次，熱壓制備的塊體材料應(yīng)用范圍相當(dāng)有限?？紤]到實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)正在嘗試從分子層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，制備本身就具有超疏水性和可降解、可回收性能的材料，這樣一方面避免顆粒的引入，制備出能夠完全降解的超疏水材料，另一方面，從分子角度進(jìn)行考慮，讓材料形式不拘泥于塊體材料這一種。

人類從自然中獲得靈感，不斷運(yùn)用智慧與技術(shù)，研制開發(fā)出各種新型的材料，而一些新型材料給人們的生活帶來(lái)極大的便利。與此同時(shí)，科學(xué)家除了關(guān)注材料功能本身，也越來(lái)越意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，將可持續(xù)發(fā)展這一理念納入到科研的過(guò)程中。更多方面的考量意味著更多的挑戰(zhàn)，新的問(wèn)題會(huì)在科研道路上不斷涌現(xiàn)，但材料科學(xué)家們不斷過(guò)關(guān)斬將，開發(fā)出多面全能的新材料來(lái)。

也許在不久的將來(lái)，超疏水材料會(huì)廣泛應(yīng)用在我們的生活中，人們不再需要費(fèi)力清潔衣服上不慎沾染的污漬，而大自然也不用擔(dān)心這些材料，“弄臟”自己的衣服。對(duì)“懶癌”友好又對(duì)環(huán)境友好的超疏水材料，著實(shí)令人期待。

參考文獻(xiàn)

[1]M. Liu, et al. Nature-inspired superwettability systems, Nature Reviews Materials 2 (2017) 17036.

[2]M. Liu, et al. Nature-inspired superwettability systems, Nature Reviews Materials 2 (2017) 17036.

[3]B. Liu, et al. Fabrication of superhydrophobic coatings with edible materials for super-repelling non-Newtonian liquid foods, Chemical Engineering Journal 371(2019): 833-841

[4]J. Wang, et al. Design Robust, Degradable and Recyclable Superhydrophobic Materials. Chemical Engineering Journal 420 (2021) 129806

作者：王晶


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情