疏水材料的表面是如何制作的？

特殊浸润性是现在老火的领域了，我的水平很低，修学分的时候认真读过一篇二十几页的综述，还有一篇十几页的嘛不太记得了，总之其实可次，就是瞎叨叨，有错误请专家不吝批评指正。

问题是疏水表面是怎么制作的，主要在“怎么”上。物理化学里面的内容，我不太记得，也不想多说了，总之物理化学也万寿无疆。感兴趣的朋友也可参考上面的答主提到的浸润性、接触角和滚动角等内容。我这种混流氓行的，对于具体的计算、公式什么的，特别无能。下面的描述中，也将偷换概念，偷懒，耍流氓，讲成一些不特别严谨但是应该基本正确的东西。

仿生学为超疏水材料的制备提供了*初的依据。

有答主提到了“荷叶效应”，对的，大多数的超疏水材料构筑都有参考荷叶表面结构。

而荷叶的表面结构特征有两点：

其一，特殊微纳结构。

其二，生物蜡。

具体展开一下，图片来自文献Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 3240–3255。

（嘿，既然是科普性质的，我先说明，我已经是二次引用，感兴趣的同学请自行搜索上述文章及其参考文献，对综述作者北航的刘克松老师、江雷老师等以及参考文献的作者们表示感谢，感谢他们出色的工作，提供了这么美的图片。）

既然是疏水材料，那么这种材料的水接触角必然大于一个固定数值，目前学术公认的数值是90度。那么要制作这种大接触角的材料一般需要考虑的影响因素首先是表面能，表面能与接触角的大小有直接的关系,低表面能物质 (硅烷化试剂、烷基化试剂和碳氟化合物等 )对于增大水滴接触角,增强表面的疏水性能具有重要作用。也就是说，在某种固体材料的表面修饰上低表面能物质可以增大其疏水性。

除了化学因素外,表面物理结构形貌特别是微观几何是决定疏水的关键因素。大量的理论和实验表明,只要有合适的微观粗糙结构,在较小的本征接触角条件下也能使液滴处于稳定的复合润湿态（参考荷叶的疏水结构）。还有，一个润湿系统由固体表面、液滴、外部环境组成。为达到理想的超疏水性,固体表面的内在作用可在外部环境的刺激下得到进一步加强。更重要的是,通过外界影响,可人为调控超疏水行为,这对将来发展各种机敏智能超疏水材料意义重大。外部环境作用主要包括声、光、电、热、振动、压强等,它们对表面润湿性质有极大影响。

不过，我个人认为，题干中的疏水材料制作，主要应该是考虑物理和化学因素，可以在基材上设计合理的微纳米结构进行蚀刻，然后通过化学反应或者吸附等物理过程修饰低表面能物质，就能制作出疏水材料甚至是超疏水材料（接触角大于150°）。

【荣景昱的回答(15票)】:

搬砖归来感觉自己现在挺适合回答这个问题……

1.疏水性原理

问题是疏水表面是如何制作的，在搞清楚制作之前我想应该先搞清楚疏水原理。疏水性的概念以及接触角，滚动角神马的其他答主也都回答过了，制备超疏水表面实际上就是在模仿荷叶表面的内种微-纳双尺度结构，并经过低表面能物质修饰，从而达到超疏水性的效果。

这种微（乳突）纳（纳米线）双尺度结构为什么会产生疏水性能呢？这要从浸润模型讲起。

*早人们认为固液表面是光滑接触的（young模型）。1936年Wenzel认识到，实际应用中不存在优良光滑的理想表面，而是粗糙表面上的凹槽被液体完全填充，仅存在固-液接触。这便是中间图所示的Wenzel模型。1944年，Cassie在Wenzel模型的基础上进一步对Young公式进行了改进，提出了Cassie模型：当表面结构疏水性较强时，粗糙表面上的凹槽并非全部由液体填充，可能会有气体存在于两者之间并形成气-固-液三相接触，神奇么？就像是空气垫和凹槽一起将表面液体“撑”了起来~至于到底是形成Wenzel状态还是形成Cassie状态，当固液气联合表面张力大于重力，以及纳米尺度粗糙结构足够高能撑起液滴的时候通常为Cassie状态。不知是否能回答 @济楚 的问题。所以荷叶表面的微纳双尺度粗糙结构，并不是随意构造出来的，而是自然界进化了千年的*精密的结构。这样的结构有利于 Cassie状态的形成，接触角也*大。从能量角度看，这样的结构单位投影面积下接触面积*大，经低表面能修饰的这种表面能量*低，液体有自发铺展的倾向。

2.应用

那么超疏水表面到底有什么用处呢？一个很有前景的方面就是利用其自清洁效应。你想，水滴要是能在表面铺展并随意滚动，表面的脏东西不都被卷走了么，想轮船表面这种容易附着海中杂质以及容易生锈的表面不就能变得更加耐用么。另外，近期研究已经证明超疏水表面在防污防积雪、微流体及无损传输等方面有这重要应用。

3疏水表面的制备

终于说到如何制备了，制备的关键就是构建表面的内种粗糙结构，并经过低表面能修饰。目前比较流行的方法都是偏化学的方法，如电化学方法，溶胶-凝胶处理法，刻蚀法，化学化气相沉积等等学化学的童鞋们比我懂。但是这些方法都有共同的缺点：制备步骤复杂，设备、原料昂贵，副产品难以清理。且机械强度并不理想，长期暴露于大气环境中时，受各种污染物或是灰尘影响，加之光照、辐射一系列因素的持续作用，导致表面不再表现出超疏水性能。故难以在工业上大批量应用。我*近做的是拿冷喷涂的方法制备。冷喷涂（设备如下图）是通过高速固态颗粒依次与固态基体碰撞后、经过适当的变形牢固结合在基体表面而依次沉积形成沉积层的方法。这种方法具有涂层与基体结合好，成本低，易于修复，环境友好，适于大面积制备结构稳定性较好的微米/阶层结构涂层，对基体与喷涂材料要求少，因此，研究冷喷涂方法制备疏水表面具有非常重要的科研及实用价值。（别管对不对导师是这样说的……）

4结果

我采用的原材料是Cu粉末，通过控制喷涂的工艺参数可以得到初级的微米结构如图，是不是很像荷叶表面的乳突呢….

然后将涂层氧化得到纳米结构的Cu2O。温度过高或保温时间过长会长出纳米线，但实际上这样减小了液滴和表面的接触面积，不利于液滴铺展（太细也会撑不住的….）所以我们果断抛弃纳米线结构。

结果如何呢？通过低表面能的氟硅烷修饰，我们制得的涂层接触角都在150度以上。因为这时候滚动角（开滚临界角度）已经很小了，所以很难拍到液滴停在表面的照片，经常是一接触就跑了。结果如何呢？通过低表面能的氟硅烷修饰，我们制得的涂层接触���都在150度以上。因为这时候滚动角（开滚临界角度）已经很小了，所以很难拍到液滴停在表面的照片，经常是一接触就跑了。

5 写在*后

提醒大家，超疏水虽然听起来很厉害的样子，不过真要运用到实际生活中，恐怕还要很长一段时间。就拿我这次做的来说吧，有一步很关键的是通过氧化Cu构建纳米尺度次级结构。实际中可能么？难道造好了轮船能整个扔到炉子里加热？

所以也许这是又一大坑，欢迎大家入坑或和我来讨论昂~

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【李鸿的回答(1票)】:

这个未必啊，表面效果也能达到。@冯小眉的理论说 的很清楚了，我只补充具体实验：

N年前，在我还是硕士研究生的时候，做过三种疏水材料，一个是纯靠手工打磨，来达到表面憎水的效果，当时打磨的好像是一种铝合金材料了吧，用金相砂纸，打磨出来的。这个太久远了，09年了，不太记得了。

后来，做铝阳极氧化，用高纯铝，99.995%的高纯铝，做氧化铝膜，然后，在正硅酸乙酯-乙醇溶液中封闭，也能做到表面憎水的效果。

还做过一段时间的镍-铬复合镀层，不过这个有点失败，因为本身，铬，尤其是六价铬存在的时候，就会影响镍在阴极的沉积行为，当年我用了几种材料，304钢和99.999%的铁上，都没重现性，偶尔，冷不丁的成功一个。

【叶如一的回答(3票)】:

疏水表面常见的制备方法有溶胶凝胶法、 化学修饰法、 喷涂法、 液相法、 化学蚀刻法、 水热法、 微相分离法、 原位聚合法、 静电纺丝法、 阳极氧化法等，都是近几年出现的疏水表面的制备方法。人工制造疏水表面虽然时间不长，但发展十分迅速，好的制备方法也越来越多。

【崔小梦的回答(4票)】:

不是做这个方向的，但是我们毕业要求做个跟自己方向无关的original research proposal, 我选的方向是这个。楼上大部分讲的都是lotus effect, 总而言之靠的就是wax 的hierarchicaltextures，再简单点就是微米结构上覆盖纳米结构，疏水的原理是靠液体和固体界面之间形成空气层。

但是，但是，这不fashion,新的潮流有两个非常，非常有意思的方向：

一个呢就是模拟猪笼草，猪笼草就是吃虫子的植物，就是这货，

他们靠分泌lubricant liquid在表层，当昆虫落在上面，哎呀，脚一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模拟的方法也很简单，就是造个texture吸附一层相关的lubricant liquid，下面就是哈佛那个组的工作：他们靠分泌lubricant liquid在表层，当昆虫落在上面，哎呀，脚一滑，滑到底部，不好意思，被吃掉了。模拟的方法也很简单，就是造个texture吸附一层相关的lubricant liquid，下面就是哈佛那个组的工作：

这个方向可以延展到非常多的方向，我还没defense呢，就先不讲自己idea了。这个方向可以延展到非常多的方向，我还没defense呢，就先不讲自己idea了。

另一个特别有趣的就是完全完全单靠刻蚀（lithography):

单靠刻蚀，不在乎是什么材料，靠的呢就是用物理界面调节视觉contact angle，真实的液体和界面的contact angle 没有改变。想法真的非常好，看到的时候觉得这才是富有创意的idea，当然也可能自己paper读的还是少。就是这结构：

Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213Citations: Nature, 477, 443, 2011; Science, 1096 28 NOVEMBER 2014 · VOL 346 ISSUE 6213

两个都是发在**杂志，大家都知道的。

我辛辛苦苦码些答案不容易啊，*近认真写的答案都没人赞，妄我掏心掏肺的，放弃刷购物网买裙子的时间，哭，都不想写了呢。卖个萌，求赞~~

【JiaWeiLIN的回答(0票)】:

一般的防水涂层就是通过在表面沉积一层薄膜，这种薄膜的分子间隙比水分子还要小，类似Parylene。Liquipel这间公司好像在做。

【于一的回答(0票)】:

专业知识浅薄，只说一下我所接触的一种材料-OTS。

我做的材料一般都是在硅片表面涂覆一层OTS，使得硅片表面改性，产生疏水性能。其实是硅片表面的SiO2与OTS发生反正产生了疏水性能的官能团。制备方法很简单，就是浸泡，不过条件要求比较苛刻，需要无水环境。

每每做这个都在想，若是能把骑车玻璃浸泡一下，表面有一层疏水性能的膜，以后开车就再也不用担心车内外温差会产生水汽了，也无需担心下雨有水渍啦。

采用德国薄膜制备工艺，形成了一套具有严格工艺标准的闭环式流程技术制备体系，能够制备各种超高性能光学薄膜，包括红外薄膜、增透膜，ARcoating, 激光薄膜、特种薄膜、紫外薄膜、x射线薄膜，应用领域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、医用激光器、红外制导、面部识别、VR/AR应用,博物馆，低反射橱窗玻璃，画框等。