“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖…….” 北宋理学家周敦颐在《爱莲说》中用这样的诗句表达了对莲花品（rèn）格（xìng）的热爱。而在科技高度发展的今天，莲花“出淤泥而不染”这一特性，引起了国内外科学家们的兴趣。我们的故事就从荷叶的“自清洁”效应开始讲起。
荷叶本身是不沾水的，这是由于荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气，进而防止水将表面润湿。水滴在荷叶上形成一个球形，而不是铺展开来，像这样的表面，就是“超疏水表面”。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染，并且表面的灰尘，杂质也会被雨水带走。这便是荷叶“出淤泥而不染”的原因了。
荷叶表面（左）以及其在扫描电子显微镜下的形貌（右，比例尺为1 µm） 图片来源：左图：shutterstock友情提供；右图：参考文献[1]
荷叶这种自清洁性能被人们称为“荷叶效应”。近20年来，仿荷叶的人造超疏水表面不断涌现。然而，这项技术由于种种限制，一直未能大规模地应用。现有的很多超疏水表面，都容易被油污染失去超疏水性。为了解决这个问题，学者们又设法开发出了一种疏水疏油的超双疏表面[2]，我也曾跟风研究了一下[3]。然而，机械出身的我在研究中发现，虽然双疏表面在自清洁方面略胜一筹，但对于一些需要润滑的零件就不适用了：比如轴承，齿轮这样的零件，如果连润滑油都排斥，就没办法愉快地工作了。
如果能找到一种被油污染，甚至浸润到油里，仍然可以自清洁的材料，或许就能解决这一问题。很快，我在从一篇仿猪笼草制备自清洁表面的论文[4]中得到了启示。这种表面利用微观粗糙结构锁住润滑油，使得液滴在滑落表面的过程中带走灰尘。那么我们的材料是否也可以做到这点咧？
一开始，我先将自制的疏水涂料涂在玻璃表面，然后将十六烷（柴油的主要成分）涂在疏水涂料表面。随后将该表面一半浸入十六烷中，一半暴露于空气中，将用一氧化锰粉末模拟的“灰尘”分别洒在表面上浸入油中和暴露于空气中的部分，用水冲洗。结果表明，即使被油污染，这种“猪笼草效应”仍然可以保证自清洁性能。在日常生活中和工业生产中，我们的材料常常会遇到食用油和柴油，以及室内室外的灰尘。于是我又选取了这些作为我实验的材料，重复了上述的自清洁实验。
油中实验过程。污垢分别使用公园里的土壤（Soil）和室内的灰尘（Dust）充当，油选用十六烷（Hexadecane）和食用油（Cooking oil）。经过疏水涂料处理的表面被部分浸润在油中，界面处撒有污垢。之后，研究者向表面滴水（为了便于分辨，水被事先染成蓝色），以清除表面上的污垢。 图片来源：详见参考文献[5]
在超疏水领域里，还有一个重要的问题——强度问题。由于超疏水表面依托于微米/纳米量级的微观结构，这种结构极易磨损，从而导致超疏水表面有着“不结实”的弱点。我也看到过网上一些很酷炫的超疏水喷漆，它们都无法回避强度问题：假如这些涂料很脆弱，那么自然不耐用；假如这些涂料强度很高，喷到头发或皮肤上怎么办？这东西疏水，所以用水洗没用，也肯定不能用丙酮什么的去洗。
说来也巧，一次无意中，我将自制的疏水涂料涂在透明胶的粘黏面上，却意外地发现无论用刀刮还是砂纸磨，都无法将涂料从胶上除去。那情形大致就好比抓一把尘土洒在胶上，粘上了，就很难再将尘土除去。基于这个启示，我尝试了用双面胶涂在玻璃表面，然后加入疏水涂料，形成类似三明治的结构——玻璃和疏水涂料分别粘结在双面胶两侧。这样一来，表面就变得非常坚固，甚至用砂纸交叉摩擦几十个来回，仍然可以保持表面超疏水性。
为了让疏水涂料更加广泛地应用于棉花，纸张，布料等软材料，我采用了喷胶，结果同样得到了耐磨的超疏水表面。在日常生活中，一个表面通常会经历的“暴力”遭遇包括手抹（例如墙面）和刀划（例如车），因此在表面强度测试中，我又加入了手抹和刀划测试。然而，被虐千百遍的疏水表面却依然待我如初恋，毅然坚挺地排斥着水滴。
经粘胶和超疏水涂层处理的表面，即便经过多次刀划，也仍然保持自清洁功能。图片来源：参考文献[5]
在进行各项其他实验之后，我和同事把研究结果写成论文，发表在了《科学》杂志上[5]。其实，这个研究的精髓并不在于把超疏水表面做到多强多耐磨，而是提供了一种思路——将超疏水领域的“脆弱”的弱点交给更加成熟的黏胶技术去克服。在具体的生产实践中，无论是大到挖掘机防水，还是小到自家涂墙，都可以根据需要选择属于自己的胶去做“中介”。换言之，胶有多给力，超疏水表面就有多给力。并且，相比于直接喷涂结实的超疏水涂层，这种两步法（胶+涂料）更加安全灵活。安全性体现在，如果不小心直接把超疏水涂料喷在皮肤上，拿个纸巾就可以擦掉；灵活性体现在，可以根据具体情况，选取合适的胶，进而调整超疏水涂层的强度。沿着这个思路，相信在不久的将来，会有更多更酷炫的超疏水材料出现。
本文作者是英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥，他们实验室的研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上，论文的第一作者陆遥应邀撰写此文。果壳网科学人欢迎更多科研工作者为我们撰稿，热情的邀请函在此。
（编辑：Calo）
参考文献：
- W. Barthlott, C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta (1997) 202: 1-8.
- A. Tuteja et al., Designing Superoleophobic Surfaces, Science (2007) 318: 1618-1622.
- Y. Lu et al., Preparation of Superoleophobic and Superhydrophobic Titanium Surfaces via an Environmentally Friendly Electrochemical Etching Method, ACS Sustainable Chem. Eng. (2013) 1: 102–109.
- T. Wong et al., Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity, Nature (2011) 477: 443–447.
- Y. Lu et al., Robust self-cleaning surfaces that function when exposed to either air or oil, Science (2015) 347: 1132-1135.