向大自然學(xué)習(xí)-生物自清潔功能及其應(yīng)用啟示

余奇瑤（湖南省長沙市周南中學(xué)2015級(jí)，湖南長沙410000）

向大自然學(xué)習(xí)-生物自清潔功能及其應(yīng)用啟示

余奇瑤（湖南省長沙市周南中學(xué)2015級(jí)，湖南長沙410000）

1 前言

大多數(shù)物體表面都會(huì)因灰層、油污和生物等的粘附造成清洗困難，帶來各種危害。如艦船水下表面污損生物的附著造成腐蝕加重、自重和油耗增加，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；城市高層建筑裝飾性外墻的雨水和灰塵的富集造成的污染難于清洗，不僅有礙城市景觀而且存在安全隱患。為此，需要采用相應(yīng)的防污涂料對(duì)艦船和建筑表面進(jìn)行刷涂以達(dá)到防粘附等目的。然而，當(dāng)前使用的防污涂料由于釋放有毒的物質(zhì)對(duì)海洋環(huán)境造成很大的危害，傳統(tǒng)外墻建筑涂料也因耐污性差等問題影響其使用效果。因此，開發(fā)自清潔功能涂層已經(jīng)成為當(dāng)前防污涂料的重要發(fā)展方向。

自清潔功能材料的熱點(diǎn)之一是受自然界某些生物如荷葉具有超疏水的特性而能夠“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的啟發(fā)，通過模仿生物表面的特征制備相應(yīng)的涂料，可望解決長期以來困擾人們的艦船、墻體等各種物體表面易被污染粘附而不易清洗的問題，具有重大的研究應(yīng)用價(jià)值，前景十分廣闊。本文主要簡介自然界中具有超疏水自清潔特性的生物結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)其在仿生自清潔材料方面的應(yīng)用提出一些思考。

2 生物的自清潔功能簡介

生物在漫長的進(jìn)化過程中，不斷進(jìn)化以適應(yīng)環(huán)境，已經(jīng)達(dá)到了近乎完美的程度，通過超疏水達(dá)到自清潔效果就是其結(jié)構(gòu)不斷適應(yīng)功能的結(jié)果。

2.1 超疏水自清潔功能原理

水在大多數(shù)固體表面通常呈鋪展?fàn)顟B(tài)，然而在某些特殊的材料表面上卻“滴水不沾”，如我們所熟悉的荷葉上面滾動(dòng)的水珠。其原因主要就是由于這些表面有我們?nèi)庋蹮o法看見的微小突起，使一些空氣被“關(guān)到”水與固體表面之間，導(dǎo)致水滴大部分與空氣接觸，這樣就減少了水與固體表面的直接接觸面積。相關(guān)示意如圖1所示。

圖1 超疏水結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，水在任何表面都會(huì)形成一定的形狀而產(chǎn)生不同的接觸角，通常的親水表面上，水呈鋪展?fàn)顟B(tài)，接觸角小于90°；一般的疏水表面接觸角僅大于90°，水滴就逐漸呈球狀；而當(dāng)接觸角高達(dá)150°以上時(shí)，水珠可以很自由地在物體表面滾動(dòng)，如果表面上有一些臟的東西，也會(huì)被滾動(dòng)的水珠帶走，這樣表面就能夠達(dá)到“自清潔”的能力，這種接觸角大于150°的表面就稱為“超疏水表面”，該類表面具有很強(qiáng)的抗污染粘附能力。

2.2 荷葉的自清潔效果

荷葉、水稻葉等水生植物是自然界常見的超疏水材料，水在荷葉表面的收縮成球狀，一方面可以防止荷葉表面被潤濕，即具有超疏水效應(yīng)；同時(shí)水可以將荷葉表面的污泥帶走，即產(chǎn)生自清潔效應(yīng)，這種現(xiàn)象引起人們的極大興趣。研究人員通過對(duì)多種植物葉片表面的研究，發(fā)現(xiàn)荷葉表面是具有疏水性質(zhì)和自清潔功能的最典型例子之一，圖2是荷葉表面的電子顯微鏡照片，其表面具有由很多10μm左右乳突，而每一個(gè)乳突上存在納米級(jí)的二次結(jié)構(gòu)，簡稱微納二級(jí)結(jié)構(gòu)。這種粗糙的微納二級(jí)結(jié)構(gòu)以及蠟質(zhì)表層將使得水滴在荷葉上收縮成一個(gè)柱狀，而不象在普通表面鋪展開來，從而賦予荷葉的“超疏水”和“自清潔效應(yīng)”。

圖2 荷葉表面微結(jié)構(gòu)

2.3 其它生物的超疏水結(jié)構(gòu)

我們常見鴨和鵝在水中嬉戲覓食時(shí)，它們的羽毛不會(huì)被水打濕，這是因?yàn)轾Z毛和鴨毛是防水的，這種特性可歸因于它們的羽毛上有排列整齊的微米及亞微米尺寸的條形結(jié)構(gòu)，使得其具有良好的疏水性和透氣性。同時(shí)，這種排列有序的微觀結(jié)構(gòu)可以使水滴順著條帶向外側(cè)滾動(dòng)滑落。

非洲沙漠生活著一種甲蟲，其背部分布著許多凸出的超疏水結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)之間是親水凹谷，與荷葉的功能十分類似。當(dāng)風(fēng)中的霧氣吹至甲蟲翅膀時(shí)，小小的水珠便在這些小凸塊上凝結(jié)，當(dāng)小水珠越長越大，就會(huì)落在表面的凹槽中，這樣甲蟲可以在干旱沙漠中獲得水分。

3 超疏水自清潔功能的應(yīng)用啟示

隨著對(duì)生物自清潔原理理解的深入，人們也開展了相應(yīng)的超疏水等自清潔功能材料的研究，主要應(yīng)用在以下方面：

3.1 在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

城市高層建筑外墻正在受到嚴(yán)重的侵蝕，隨著高層建筑的大量出現(xiàn)，各地開始推行高層建筑限制和禁止使用面磚、幕墻等飾材的政策。因?yàn)槊娲u是一種高能耗產(chǎn)品，不利于節(jié)能減排，且面磚和墻體的粘合劑久了會(huì)老化，存在破損易傷人等安全隱患；而如果過多使用玻璃幕墻，又將存在光污染、成本高等問題。傳統(tǒng)建筑外墻涂料可以美化環(huán)境和居室，但是由于傳統(tǒng)涂料外墻建筑涂料的耐候性和耐污性差，使得“拖鼻涕”現(xiàn)象嚴(yán)重以及墻面灰塵富集，而高層建筑物的外墻裝飾和保護(hù)還需要人工采用吊繩或吊筐形式進(jìn)行高空作業(yè)。因此，自清潔功能的防污涂料就是一個(gè)很好的選擇，可以持久地保持外墻的清潔功能。

3.2 防雨雪粘附

雨雪冰凍天氣下，室外天線、光電轉(zhuǎn)換器以及太陽能帆板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和傳輸電線上等容易出現(xiàn)結(jié)冰，造成巨大的危害。如2008年我國部分寒冷山區(qū)出現(xiàn)的雪災(zāi)和冰災(zāi)導(dǎo)致電網(wǎng)電線結(jié)冰，以致南方多省出現(xiàn)大面積停電的嚴(yán)重后果；風(fēng)電葉片結(jié)冰，不僅增加自重，還會(huì)改變?nèi)~片速度、材料特性，甩出的冰片還將傷害風(fēng)機(jī)附近的人或物等。如果在不影響其使用特性的情況下，在上述各類設(shè)施表面涂敷一層超疏水自清潔涂層，防止水的附著結(jié)冰。

3.3 在日常生活中的應(yīng)用

霧氣在固體表面凝結(jié)的現(xiàn)象非常常見，這些小霧滴會(huì)對(duì)光產(chǎn)生折射和反射，給人們的生活帶來極大不便，如光學(xué)儀器、車窗玻璃、眼鏡起霧等現(xiàn)象，而采用超疏水涂層可以使得霧滴不能粘附于鏡面上從而達(dá)到防霧的效果。

冰箱等制冷設(shè)備表面經(jīng)常會(huì)有一層厚重的冰霜，如果在其表面構(gòu)筑超疏水涂層，則可以減少水滴與表面的接觸，延緩水滴凝結(jié)時(shí)間，起到抗結(jié)冰結(jié)霜的作用。

在一個(gè)平面涂上涂敷具有超疏水結(jié)構(gòu)的涂層，讓風(fēng)吹過表面，水蒸氣會(huì)在風(fēng)的作用下，在表面凝結(jié)，最終形成較為可觀的水量。這種技術(shù)最大的特點(diǎn)是不需要能源，若將這種裝置安裝潮濕的島礁、船上，就可以方便的收集水分，為海水淡化提供了一種新的方式。

雖然超疏水自清潔涂層在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但也存在一定的不足，如它的除油效果還有待加強(qiáng)、成本還較高，為此研究人員還還開展超疏油涂層，與超疏水進(jìn)行有效結(jié)合，以便更好地防油水粘附達(dá)到自清潔的效果。

4 結(jié)論

生物在自然界的生存競爭中，各自發(fā)展出獨(dú)特的生存形態(tài)與方式，它們是人類學(xué)習(xí)的對(duì)象。具有超疏水自清潔功能的生物為我們在建筑防污、防雨雪粘附材料等方面的研究提供了很好的仿生啟示。但只有進(jìn)行深入的探索，弄清它們的原理，才能更好地為新型仿生自清潔功能材料的研發(fā)提供指導(dǎo)。

[1]林淑云，梁偉欣，等.超疏水自清潔涂層的研究進(jìn)展.福建建設(shè)科技，2015（4）：53～55.

[2]劉 萍，林益軍，等.自清潔表面研究進(jìn)展.涂料工業(yè)，2016（5）：76～79.

[3]荷花效應(yīng).百度百科.

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2095-2066（2016）34-0018-02

2016-11-20

余奇瑤（2000-），女。