如果你仔細觀察過荷葉上的水珠，就會(hui) 發現圓滾滾的水珠向四麵逃竄，生怕被捕捉到似的，半點駐足都沒有。水珠能在荷葉上如此“絲(si) 滑”，是因為(wei) 荷葉是超疏水材料。

荷葉表麵的微米-納米乳突結構 | 參考文獻[1]

受到荷葉表麵微觀形貌和化學成分的啟發，科學家們(men) 總結出了製造超疏水表麵的一般法則：一是需要在材料表麵構建微米-納米級微小粗糙結構，如同荷葉表麵的乳突狀結構一樣；二是需要材料表麵有較低的表麵能，固體(ti) 物質的表麵能越低，疏水性就越好，因此需要盡量降低表麵能。從(cong) 這兩(liang) 點出發，近二十年來，人工製造的超疏水材料得到迅速發展，甚至部分產(chan) 品已經投入了市場進行商用。

人工超疏水表麵在自清潔方麵的應用 | 參考文獻[2]

自清潔材料，本身卻不清潔

然而，微小粗糙結構和低表麵能這兩(liang) 個(ge) 必要條件，卻也成為(wei) 超疏水材料的軟肋，阻礙了它的實際應用。首先，材料表麵的微小結構是相當脆弱的，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度。

近年來關(guan) 於(yu) 超疏水材料的前沿研究，大部分都是朝著材料“更硬、更強、更韌”的方向努力。但更高的強度會(hui) 導致材料難以降解，用於(yu) 構成粗糙結構的納米顆粒也難以回收。

同時，為(wei) 了降低表麵能，需要使用大量對環境和人體(ti) 危害極大的低表麵能改性劑，這些都會(hui) 造成環境汙染問題。超疏水材料的優(you) 勢特性之一，是材料具有自清潔性能，可以保護表麵不受汙染，降低維護成本，達到降低能源和資源損耗的目的。然而，製作它所帶來的環境問題卻違背了這一初衷。

因此，在高強度的超疏水材料大規模投入市場之前，我們(men) 或許需要先考慮如何解決(jue) 這些材料在製備、使用以及廢棄後的各個(ge) 環節所帶來的環境汙染問題。

“綠化”超疏水材料

實際上，在解決(jue) 超疏水材料所帶來的環境汙染問題方麵，材料科學家們(men) 也提出了一些可能的策略，比如用可生物降解的塑料製備超疏水材料。提出這一策略的出發點是好的，具體(ti) 應用卻可能產(chan) 生問題。這些可生物降解的塑料在單獨使用時或許能夠滿足環保要求，但是在超疏水材料中，這些材料並非單獨使用，為(wei) 了得到疏水性，還需要使用改性劑進行表麵改性，以及加入大量的顆粒來得到粗糙結構，這就導致這些塑料基體(ti) 雖然本身可以降解，但在降解過程中卻也把其他有毒的化學物質及納米顆粒釋放到了周圍環境中。因此，這類為(wei) 環保而生的可降解塑料並不適用於(yu) 製備超疏水材料，能解決(jue) 汙染問題的新方法仍待發掘。

以生物質材料製備成的超疏水塗層 | 參考文獻[3]

近年來，科學家們(men) 研發了一些在特殊化學環境下可快速降解，並且可以高效回收的高強度塑料，這成為(wei) 可降解、可回收塑料體(ti) 係的又一分支。其中，2014年Garcia, J.等人發現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度和可降解、可回收等性能。受這種材料的啟發，2021年5月，蘭(lan) 州大學門學虎團隊、中科院蘭(lan) 州化學物理研究所張招柱團隊，以及英國瑪麗(li) 女王大學陸遙團隊通過合作，提出將PHT與(yu) 疏水顆粒結合，用該策略實現超疏水材料在製備、使用和廢棄後處理等各個(ge) 環節的綠色無汙染。

將PHT與(yu) 疏水顆粒結合，提出可降解、可回收超疏水材料的設計思路 | 參考文獻[4]

不同於(yu) 前人的方法，門學虎團隊在這一工作中用水相反應製備PHT納米顆粒，以便與(yu) 經過表麵改性的各類疏水顆粒均勻混合。混合後的粉末通過熱壓方法製備出致密的塊體(ti) 材料，其表麵經過簡單的打磨與(yu) 刻蝕處理後，具有了像荷葉表麵一樣的粗糙結構以及超疏水性。超疏水材料的製備完全在水相體(ti) 係中，避免了有機溶劑汙染。

相較於(yu) 已有的超疏水材料降解、回收途徑，通過這一方法製備出的材料基體(ti) 可以在酸性環境中快速降解，降解液中包含的小分子可進行回收，而疏水顆粒也可通過簡單的過濾進行回收，並再次用於(yu) 製備材料。這種降解與(yu) 回收方式，避免了白色汙染，原料的回收效率在90%以上，資源利用率大大提高，同時，顆粒的回收也消除了產(chan) 生粉塵汙染的可能。可以說，將PHT與(yu) 疏水顆粒結合這一策略在各個(ge) 環節都降低了超疏水材料產(chan) 生環境汙染的可能性。

不僅(jin) 如此，材料降解中的一處細節包含著研究人員為(wei) 環境著想的苦心——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(wei) 了保持疏水性的同時，保持可降解性，研究人員使用微量的乙醇作為(wei) “激活”可降解性的“鑰匙”——加入乙醇後的材料可以在兩(liang) 小時內(nei) 快速降解，這一巧妙的辦法實現了材料的化學穩定性與(yu) 可降解性之間的雙贏。

可降解性被“激活”後，材料可在兩(liang) 小時內(nei) 降解，並且可以回收 | 參考文獻[4]

在解決(jue) 問題中進步

當然，這一研究也有自身局限——首先，雖然顆粒的回收率高達90%以上，避免了浪費也降低了汙染，但顆粒仍需要提前進行表麵修飾，並且回收的疏水顆粒最終仍會(hui) 麵臨(lin) 如何處理的問題。其次，熱壓製備的塊體(ti) 材料應用範圍相當有限。考慮到實用性，團隊正在嚐試從(cong) 分子層麵進行設計，製備本身就具有超疏水性和可降解、可回收性能的材料，這樣一方麵避免顆粒的引入，製備出能夠完全降解的超疏水材料，另一方麵，從(cong) 分子角度進行考慮，讓材料形式不拘泥於(yu) 塊體(ti) 材料這一種。

人類從(cong) 自然中獲得靈感，不斷運用智慧與(yu) 技術，研製開發出各種新型的材料，而一些新型材料給人們(men) 的生活帶來極大的便利。與(yu) 此同時，科學家除了關(guan) 注材料功能本身，也越來越意識到環境保護的重要性，將可持續發展這一理念納入到科研的過程中。更多方麵的考量意味著更多的挑戰，新的問題會(hui) 在科研道路上不斷湧現，但材料科學家們(men) 不斷過關(guan) 斬將，開發出多麵全能的新材料來。

也許在不久的將來，超疏水材料會(hui) 廣泛應用在我們(men) 的生活中，人們(men) 不再需要費力清潔衣服上不慎沾染的汙漬，而大自然也不用擔心這些材料，“弄髒”自己的衣服。對“懶癌”友好又對環境友好的超疏水材料，著實令人期待。

參考文獻

[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


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