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水桑,你奏凯(‵′)

中科院物理所2018-05-09 07:03:08

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来自:The Slow Mo Guys


任凭水滴滚落,水柱流淌,在超疏水表面上,它们都不会留下任何痕迹。疏水材料是怎么做出来的?它们对水桑为何如此“拒绝”呢?


与水“绝缘”的外衣


水在材料表面如何表现,取决于液滴中的水分子会和材料表面的分子们产生多少相互作用力。这可以看成交界面上的一场“拔河”:如果材料表面分子与水的亲和力强,那么水分子就可以被它们“拉住”,更容易附着和摊开,而如果材料表面的分子与水亲和力很弱,那么,水滴内部的分子间作用力就会占上风,这样一来,表面的水分子就会被内部的水分子“拽着”,水滴会缩成圆圆的样子,和材料的接触面积减小,也会变得不容易附着在材料上,这样就达到了“疏水”的效果。


玻璃(左)和聚二甲基硅氧烷材料(右)表面上不同形态的水滴,玻璃与水更加亲和。图片来自:Joo Ho Lim et al.


要想让水桑走开,第一种思路就是给物体表面涂上一层和水亲和力很低的物质。在网络动图中长期占有一席之地的“魔术沙”就是一个典型的例子。这些“魔术沙”的内核依然是相对亲水的沙子,但它们的表面被加上了疏水的“镀层”,这样一来,倒进水里也不会被沾湿。最早的时候,魔术师们用融化的石蜡来包裹沙粒,而现在用来制造魔术沙的则是三甲基硅醇。三甲基硅醇中的硅醇键能够牢牢的附着在主要成分是二氧化硅的沙粒表面,从而在沙粒表面包覆一层更薄更稳定的疏水层。除了玩耍之外,类似的技术在高分子材料中也有很多应用。


 

不会湿的魔术沙,相信大家已经不陌生了



为“魔术沙”裹上防水外衣的三甲基硅醇。图片来自:C&EN


现在,市面上的“防水喷雾”也给了人们自己在家制造疏水“涂层”的机会。这些喷雾大多会在物体表面留下疏水性的微粒,不过这通常只是临时作用,防水的“有效期”并不长。


一种喷涂疏水材料的效果演示。原视频来自:LancasterOnline


经过处理,附着疏水微粒的棉纤维(左)和棉布(右)一改往日吸水的特性。


用粉末状的疏水气凝胶材料甚至还可以直接给水滴来个“防水处理”。下面这个针戳不破、逼死强迫症的淘气水珠就是表面沾上了一层轻盈的疏水气凝胶材料。这些疏水材料只会停留在液滴表面,为了减少和疏水材料的接触面积,彩色水滴缩成了圆圆的球形。表面性质的改变,也使得这些小液滴不再彼此融合,它们也不再会附着在注射器针头上。

 

轻戳一下, 沾上疏水材料的水滴不会附着到针头表面。原视频来自:InnovativeMaterias



划开不会再融合的水,这其实也是表面的疏水材料在作怪。原视频来自:ophilcial


荷叶与梅花桩


此外,还有另外一种常见的思路会从接触面的形状下手。如果用电子显微镜拍下荷叶表面的微观结构,就会看到其中有许多细小的凸起,这些凸起会减少表面与水的接触,而存留在缝隙中的空气和水分子之间的亲和力也很低。这样一来,“梅花桩”上的水滴就更加站不住脚了。


充满细小凸起的荷叶表面微观结构。图片来自:victoria-adventure.org


在人造的疏水表面上,人们也经常借鉴这种思路。下面图中这块黑黑的疏水表面,就是利用激光技术在金属表面处理出了类似荷叶的细小突起结构。这种处理让金属表面获得了相当出色的疏水特性,下落的水滴甚至在上面“跳起了舞”[1]


弹起水滴的金属疏水表面。原视频来自:UniversityRochester


这种超疏水表面在原子力显微镜下显示的微观结构(左)及示意图(右),左图来自参考文献1


值得关注的是,这种技术是对材料本身的改造而非涂层,它可以比一般的疏水涂料维持时间更长,在飞机表面防冰等方面可以起到很好的效果。此外,类似的表面结构还可以通过光化学反应刻蚀硅片的方法来得到。


滑溜溜的表面,加点液体


把多种材料和工艺组合起来,还能让疏水表面获得更加多样的特性。比如说,诞生于麻省理工的LiquiGlide技术就给疏水“梅花桩”里又填进了低表面能的液体,制造出了一种“油浸”(当然,并不是食用油)的疏水表面。当水滴在这种表面上流动时,它所受的阻力非常小,通过调节表面结构和低表面能液体的种类,还可以控制水滴滚落的速度。



水滴跑多快,表面说了算。图片来自:liquiglide.com


“油浸”表面的微观结构(左)与示意图(右)。图片来自:参考文献2



疏水表面,“抽刀断水”也可以!


在超疏水表面上,还能做到一些平时无法实现的事情,比如说——切开一滴水。



放置水滴的案板和刀表面都经过超疏水化处理,这样在特定条件下就可以干净利落地把水切成两半了。切开水滴又有什么用呢?事实上,这是科学家们为处理微量液体样品而想出来的一种方法[3]。把它与其他分离方法(例如等电位聚焦)结合,就有了从很少量的液体中分离不同成分的潜力。

疏水材料带来的不仅是惊艳的视觉效果,在很多领域,赶走水桑都有重要的实用意义,表面附着不上水,就很容易保持清洁,可以保护怕水的器材,还能防止结冰。用到生活里,它还能让磕番茄酱瓶子、舔酸奶盖的烦恼成为历史(咦,后面这个似乎不是烦恼……)。在越来越多的地方,我们都将能欣赏到水滴与疏水表面的舞蹈。(编辑:窗敲雨)


参考资料:

  1. A. Y. Vorobyev and Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics 117, 033103 (2015); doi: 10.1063/1.4905616 


  2. J. David Smith, Rajeev Dhiman, Sushant Anand, et al. Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. Soft Matter, 2013,9, 1772-1780 DOI: 10.1039/C2SM27032C 


  3. Yanashima R, García AA, Aldridge J, Weiss N, Hayes MA, Andrews JH (2012) Cutting a Drop of Water Pinned by Wire Loops Using a Superhydrophobic Surface and Knife. PLoS ONE 7(9): e45893. doi:10.1371/journal.pone.0045893




本文授权转载自科学人微信公众号






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