超疏水材料技術(shù)是涉及生物、物理、化學(xué)以及材料等多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)。21世紀以來，在表面科學(xué)、仿生學(xué)以及多領(lǐng)域?qū)W科的交叉融合推動下，新型超疏水材料層出不窮，其優(yōu)秀的潤濕特性和廣泛的應(yīng)用前景，引起了各國的廣泛關(guān)注。2017年4月，在美國海軍研究署等機構(gòu)支持下，密歇根大學(xué)開發(fā)出新型自愈型超疏水涂層材料。該材料擁有百倍于同類涂料的耐久性，可為艦船、飛機和戰(zhàn)車提供兼具耐久性的防水、防結(jié)冰、自清潔能力。
一、超疏水材料技術(shù)概述
超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內(nèi)部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當?shù)捅砻婺懿牧暇哂形⒂^粗糙結(jié)構(gòu)時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態(tài)。
構(gòu)造超疏水表面有兩種方法，一是在疏水材料表面上構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)，二是用低表面能物質(zhì)對微觀粗糙表面進行改性。
材料的超疏水性越好，水滴在材料表面上越接近球形，與材料的接觸面積越小，越易從材料表面滑落。此外，水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
二、國外超疏水材料技術(shù)進展
1. 多學(xué)科交叉融合成為超疏水材料技術(shù)發(fā)展的主要動力
自然界中的動植物表皮具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)和特殊的潤濕性能，為構(gòu)造超疏水材料提供了啟示，如模擬荷葉結(jié)構(gòu)可以獲得超疏水性能、模仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)可以獲得水下減阻性能等。仿生材料的研究，為超疏水材料的持續(xù)進步提供了動力。2017年5月，德國弗萊堡大學(xué)開發(fā)出一種具有多層結(jié)構(gòu)的自愈型超疏水涂層。這種超疏水材料表面具有類似蛇褪去外皮的特性，可實現(xiàn)表面受損后超疏水性的自愈，為新型耐久自愈型超疏水材料的研發(fā)提供了新思路。此外，增材制造、材料計算與模擬仿真等技術(shù)的應(yīng)用，大大簡化了材料表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計、構(gòu)造與控制難度，使超疏水材料的制備快速精準，結(jié)構(gòu)和性能可控，實現(xiàn)了材料制備工藝、結(jié)構(gòu)、性能等參量或過程的定量描述，縮短了材料研制周期，降低了研發(fā)成本。
2. 耐久性突破推動超疏水材料邁向?qū)嵱没?/span>
超疏水材料表面的微納結(jié)構(gòu)是決定其超疏水性的主要因素，而這種微觀粗糙結(jié)構(gòu)通常存在強度低、機械強度差、耐磨性差等問題，容易被外力破壞，導(dǎo)致超疏水性的喪失。另外，在一些場合或長期使用中，表面也可能被油性物質(zhì)污染，導(dǎo)致疏水性變差。耐久性是長時間保持超疏水性的關(guān)鍵，也是制約超疏水材料實際應(yīng)用的主要因素。提高超疏水材料耐久性的方法有增強材料表面的機械穩(wěn)定性、提高材料表面的防油污性能、構(gòu)造自修復(fù)超疏水材料等。
2017年4月，美國密歇根大學(xué)開發(fā)出由“氟化聚氨酯彈性體”和“F-POSS”疏水分子互溶形成的自愈型超疏水涂層材料。該材料類似橡膠的質(zhì)感使其比以往的材料更有彈性，略微柔軟的表面可有效降低表面受到物理損傷的概率。這種涂層具有化學(xué)自愈特性，當表面被磨損時，新的分子將自然地遷移到損傷處以實現(xiàn)自愈合。涂層擁有數(shù)百次損傷后自愈的能力，甚至可在被磨損、刮擦、燒烤、離子清洗、平整、超聲處理和化學(xué)腐蝕后恢復(fù)性能。
3. 超疏水材料將向著多響應(yīng)、可調(diào)控的智能化方向發(fā)展
目前，超疏水材料的研發(fā)已不局限于獲得超疏水的單一性能，而是向著多響應(yīng)、可調(diào)控的智能化方向發(fā)展。將材料表面的特殊潤濕性，如超疏水、超親水、超親油、超疏油等，進行多元組合，從而實現(xiàn)智能化協(xié)同、可調(diào)控和相分離材料的制備，將極大拓展超疏水材料的應(yīng)用范圍，如利用具有超疏水和超疏油特性的超雙疏材料可實現(xiàn)水性和油性液體的防護，利用超親水／超疏油或超疏水／超親油材料對油和水截然相反的潤濕性可實現(xiàn)油水的分離。
2017年5月，美國萊斯大學(xué)研制出可用于超級電容器等電子元器件的激光誘導(dǎo)石墨烯材料。該材料在空氣或氧氣中具有超親水性，而在氬氣或氫氣環(huán)境下則具有超疏水性，可通過控制氣氛環(huán)境實現(xiàn)超疏水-超親水的可逆調(diào)控。
三、國外超疏水材料在國防領(lǐng)域的應(yīng)用
1. 應(yīng)用于裝備，提升裝備的防腐蝕、防生物附著、防冰和自清潔能力
在防腐蝕方面，超疏水材料可以阻斷水分與金屬材質(zhì)的接觸，從而緩解艦艇水線以上部分的氧化腐蝕。2010年，美國海軍在“麥克福爾”號驅(qū)逐艦上使用超疏水涂層材料保護艦船武器系統(tǒng)以及其他暴露在外的裝備，防止這些系統(tǒng)和裝備被鹽霧銹蝕侵害。
在防生物附著方面，超疏水材料可以有效防止海洋生物在艦船表面的附著，可以作為艦船防污涂料。傳統(tǒng)防污涂料依靠釋放砷、銅、鉛等金屬離子殺死附著生物，超疏水材料則具有環(huán)保特性，可以減少有色金屬的使用。
在防冰方面，超疏水涂層因具有能耗低、適用范圍廣、環(huán)境友好等優(yōu)點而在航空、艦船、電力，通信、能源等領(lǐng)域的防結(jié)／覆冰雪方面顯示出潛在的工程應(yīng)用前景。2016年6月，美國萊斯大學(xué)研制出可高效防冰的石墨烯復(fù)合超疏水材料，當溫度高于-14℃時，冰無法在材料表面凝結(jié)。利用石墨烯的導(dǎo)電特性，在更低溫度下該材料可以通過電加熱來防冰或除冰，只需施加12伏的電壓就可使材料在-51℃低溫下防結(jié)冰。
在自清潔方面，超疏水材料表面特殊微納米結(jié)構(gòu)使污染物在材料表面的附著力降低，同時，超疏水材料的防水特性可使表面的水滴滾落時帶走污染物，保持材料表面的清潔。
2016年9月，美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)出一種應(yīng)用于玻璃材質(zhì)，具有自清潔、抗光反射、防指紋及污漬特性的超疏水透明涂層，可廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備顯示屏、鏡頭、探測器等光電子設(shè)備的防護。
2. 應(yīng)用于服裝加工，提升人員防護能力
超疏水（超疏油）布料可應(yīng)用于各類防水透氣型工作服和新型生化防護服。例如，在執(zhí)行任務(wù)過程中，空軍飛行員、海軍士兵和特種兵等突然浸沒在冷水中會導(dǎo)致體溫下降，是造成人員傷亡的主要因素之一。防水透氣型服裝已作為美軍空軍飛行員、船員和執(zhí)行海陸空行動等特種兵的專用服裝。該類服裝在溫度為20℃的冷水中，能提供高達24小時的保護作用，并且穿著輕便、舒適。防水透氣織物的應(yīng)用，不僅解決了透氣和防水的矛盾，而且可以減輕雨衣的重量，從而有效減輕士兵的負荷量。
美空軍研究實驗室與國防部威脅降低局聯(lián)合開展了相關(guān)項目的研究，并于201 0年開發(fā)出基于超雙疏（超疏水和超疏油）布料的生化防護服。該服裝具有自清潔性能，且可以避免危險化學(xué)品滲入，保護士兵不受生化武器威脅。
3. 其他創(chuàng)新應(yīng)用方向
（1）提高電池效率及散熱率。超疏水材料用于電池系統(tǒng)的電極隔膜，可將電解液和活性電極材料分隔開，防止副反應(yīng)發(fā)生。2016年7月，德國亞琛工業(yè)大學(xué)和韓國首爾漢陽大學(xué)開發(fā)出新型納米孔超疏水隔膜材料。使用這種新型超疏水隔膜后，電池能量轉(zhuǎn)換效率達到85%，高于傳統(tǒng)方法76%的轉(zhuǎn)換效率。
超疏水涂層可以利用其疏水性提高散熱效率。2016年3月，羅斯科學(xué)院熱物理研究所開發(fā)出用于提高熱交換設(shè)備散熱效率的氟聚合物涂層制備技術(shù)。該技術(shù)涂層可促進液體蒸氣在設(shè)備表面加速冷凝，散熱效率要遠遠高于薄膜冷卻法。同時，冷凝液形成的過程帶走熱量，形成的液體又用于新的散熱循環(huán)。
（2）新型水上機器人。 水黽具有獨特的漂浮機制和高效的劃水方式，在水面環(huán)境中能夠低耗、低噪、高效、靈活地漂浮、劃行和跳躍。水黽腿表面的微觀多級結(jié)構(gòu)具有超疏水性，可以支撐水黽在水面自由活動。近年來，越來越多的學(xué)者開始研究水黽獨特的漂浮機制和高效的劃水方式。
2015年8月，韓國首爾大學(xué)和美國哈佛大學(xué)共同研制出仿水黽機器人。該機器人與水黽大小一致，可在水面跳躍。在軍事領(lǐng)域，水黽機器人可以作為微型偵察機器人，利用在水面快速靈活的運動特性執(zhí)行特殊任務(wù)。
（3）定向集水。合理利用材料的超疏水性以及超親水性，在指定區(qū)域賦予材料不同的潤濕特性，可以用于在沙漠等干旱環(huán)境下作戰(zhàn)時的飲用水收集，解決人員生存等問題。2016年6月，美國西北太平洋國家實驗室研制出可實現(xiàn)水分逆向流動的碳納米棒材料。這種材料可在低濕度空氣環(huán)境中，將水蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)水并吸附在表面；在高濕度空氣環(huán)境中，材料具有疏水性，且濕度越高，材料表面水滴蒸發(fā)越快。這種材料可以用在沙漠中取水；如果用在服裝中，可以在高濕度環(huán)境中保持干燥舒爽。
（4）油水分離。在被油污染的水域獲取水源，需要使用快速、高效的油水分離裝置。近年來，材料表面的潤濕性成為解決這個困難的關(guān)鍵，一旦材料展現(xiàn)出對油和水不同的潤濕性，如超疏水-超親油性、超親水-超疏油性，則這種材料可用于實現(xiàn)油水分離。此外，油水分離器還可用于解決海洋石油泄漏等環(huán)境問題。
四、結(jié)束語
目前，超疏水材料技術(shù)正向智能化、可調(diào)控、多功能及高性能方向發(fā)展，在武器裝備防護、能源及其他創(chuàng)新領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來在多學(xué)科交叉融合發(fā)展的影響下，超疏水材料技術(shù)將與仿生技術(shù)、納米技術(shù)以及材料計算技術(shù)等緊密結(jié)合，逐步突破機械性能與耐用性能的應(yīng)用瓶頸，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大應(yīng)用價值。
