不沾水也不沾油的新材料你想用在哪里？

Mirror

你一定有這樣的體驗(yàn)，洗發(fā)水、番茄醬、酸奶這類黏稠流體總是黏在瓶口和內(nèi)壁上倒不干凈。

怎么解決這個(gè)問題呢？還是先搞清這些黏稠流體的性質(zhì)：不論是洗滌用品還是醬汁，它們的成分都有親水或親油的特點(diǎn)。像醬油、果汁這類大都屬于水基的流體，也就是說它們的含水量很高。對(duì)于它們，科學(xué)家早已發(fā)明出有效的疏水材料。靈感來自大家都很熟悉的、潔身自好的荷葉——荷花出淤泥而不染，荷葉落雨滴而不濕。

電子顯微鏡下荷葉表面的超微結(jié)構(gòu)

在仔細(xì)觀察荷葉表面的微觀構(gòu)造后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)上面密布著微小的凸起，凸起間充滿空氣，減少了水滴與荷葉的直接接觸，水滴就會(huì)圓滾滾地“溜”走了。

不會(huì)弄臟的白T恤

現(xiàn)在的大多數(shù)超疏水材料都是模仿荷葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，例如以納米級(jí)別的二氧化硅顆粒制成的超疏水噴涂材料，用在布料表面可以起到“百污不侵”的防污效果。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)明的超疏水涂層也是類似原理，使用在包裝瓶?jī)?nèi)壁上，番茄醬和糖漿也能擠得干干凈凈。

用未處理（左）和超疏水處理后（右）的容器倒楓糖漿

不過仿荷葉類的疏水材料只適用于水基流體，對(duì)食用油、芝麻醬這類含油量高的物質(zhì)，效果就不盡人意了。而洗發(fā)水等洗滌用品的主要成分是表面活性劑。表面活性劑分子一頭親水，一頭親油，因此材料需要兼具疏水性和疏油性才能不被粘上。我們知道一滴水滴在物體表面還可能形成水珠，但油滴基本都會(huì)攤開。這是因?yàn)橛偷谋砻鎻埩Ρ人?，?nèi)聚力不足，容易散在其附著的表面上。表面活性劑的表面張力也比水小得多，而且浸潤(rùn)能力強(qiáng)，想甩開它可不容易。

洗發(fā)水未處理（左）和不沾涂層處理（右）的效果（@《科學(xué)美國(guó)人》）

洗衣液未處理（左）和不沾涂層處理（右）的效果（@《科學(xué)美國(guó)人》）

俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研發(fā)出了兼具超疏水性和超疏油性，且穩(wěn)定耐用的不粘涂層，幾乎能夠應(yīng)對(duì)所有常見流體，包括難以對(duì)付的洗滌劑，先來看看效果。

這種材料的疏水原理也是用納米微粒制造起隔離作用的小凸起。這種珊瑚礁一樣的構(gòu)造是由二氧化硅納米顆粒形成的“Y”形結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)密布在材料表面，枝丫之間托著氣泡，形成空氣隔層，從而起到與流體最小化接觸的作用。

不粘涂層表面的二氧化硅納米顆粒結(jié)構(gòu) （@ Brown， P. S. and Bhushan， B.）

要想達(dá)到理想的疏油效果，還需要對(duì)材料表面進(jìn)行氟硅烷化處理，形成類似不粘鍋涂層（特氟龍）的單分子膜，以強(qiáng)化疏油效果。

液滴與固體表面的接觸角（CA）越大，粘附程度越低（@Brown， P. S. and Bhushan， B.）

用少量能稍微軟化塑料的溶劑處理表面，當(dāng)塑料再次凝固時(shí)，二氧化硅微粒就能被牢牢嵌進(jìn)塑料。二氧化硅和氟硅烷分子之間也能夠穩(wěn)定地結(jié)合，保障了涂層的耐用性。

把這種超疏水疏油涂層加工在塑料包裝瓶?jī)?nèi)，倒洗發(fā)水就可以前所未有地順暢，直到一滴不剩，讓你的每一滴洗發(fā)水都值回本。材料中所使用的原料在一般條件下對(duì)人體也是安全無害的，因此還可能應(yīng)用于食品包裝，從此喝酸奶再也不用舔瓶、舔蓋了。

近年來，不粘材料的發(fā)展百花齊放，就連黏性固體也能實(shí)現(xiàn)不粘。賓州州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從豬籠草的“滑梯”陷阱獲得靈感，開發(fā)出了能使便便不粘馬桶的超滑材料——LESS涂層。

這種涂層擁有更細(xì)密的表面凸起結(jié)構(gòu)，由聚二甲基硅氧烷構(gòu)成疏水基底，然后再噴灑上一層極?。?微米）的硅油潤(rùn)滑劑，它能使黏性的便便變得潤(rùn)滑，同時(shí)基底又將其與馬桶表面隔開，這樣便便就能一滑到底，不再留下令人尷尬的痕跡。

但是LESS也有大多數(shù)不粘材料的通病——不夠耐久。它所搭配的硅油需要后期噴涂，沖馬桶500次后就需要重新再噴，對(duì)于普通消費(fèi)者來說成本還是略高。

未處理（左）和使用LESS涂層（右）的馬桶（@《科學(xué)美國(guó)人》）

不粘T恤、不粘包裝瓶、不粘馬桶，你還想到了不粘材料的哪些用途呢？比如排水管道這種容易附著污物、滋生細(xì)菌的地方，還有醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品外殼等需要保持清潔的物件。不過目前這種材料仍在完善中，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣。相信在不久的將來都會(huì)得到普及，讓生活更舒爽。如果有了一勞永逸的超級(jí)不粘材料，你最想用在什么地方？汽車擋風(fēng)玻璃？