特殊浸潤(rùn)性仿生表面在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

房巖王超孫剛鄭慧文蘇嘉上官樂輝肖金有龍彪

(1.三明學(xué)院資源與化工學(xué)院，福建 三明 365004；2.藥用植物開發(fā)利用福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建省資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004)

固、液、氣是物質(zhì)的3種基本形態(tài)，每種形態(tài)往往會(huì)與其它形態(tài)彼此接觸在一起，形成不同類型的固/液/氣界面。在自然界中，許多動(dòng)植物表面具有優(yōu)異的超疏水浸潤(rùn)特性，如荷葉、蝴蝶翅、櫻桃葉片、玫瑰花瓣、水黽足、家鴿羽毛等[1-4]。界面處的特殊浸潤(rùn)性(extreme wettability)受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍關(guān)注，已成為材料科學(xué)最熱門的研究領(lǐng)域之一，被廣泛應(yīng)用于自清潔、防腐、防污、防水、防油、防霧、防冰、國(guó)防軍工、環(huán)境保護(hù)、流體減阻、油水分離、水霧收集、微液滴操作、細(xì)胞工程等諸多工程領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景[5]。

1 自清潔仿生表面

自清潔效應(yīng)(self-cleaning effect)是發(fā)現(xiàn)最早、研究最多的特殊浸潤(rùn)性表面功能，超親水(superhydrophilic)和超疏水(superhydrophobic)狀態(tài)都可能實(shí)現(xiàn)自清潔效果。對(duì)于類似荷葉的低黏附超疏水(low adhesive superhydrophobic)表面，水滴的自由滾動(dòng)、攜走污物(如粉塵、土粒等)是產(chǎn)生自清潔的主要原因。在玻璃上涂上透明的疏水自清潔仿生薄層，即可在雨水的沖刷下實(shí)現(xiàn)自清潔，而且不留下任何痕跡[6]。隨著表面科學(xué)理論的發(fā)展，自清潔透明薄膜和涂層的制備方法不斷豐富。對(duì)于超親水表面，則具有與超疏水表面不同的自清潔機(jī)理，水滴的鋪展(spreading)使污染物與超親水表面之間形成水膜(water film；water layer)，由于污染物附著力的減小，在風(fēng)力或重力的作用下污染物可以輕易脫落，從而實(shí)現(xiàn)自清潔的目的。TiO2超親水涂層含有具光催化活性(photocatalysis activity)的納米材料，超強(qiáng)的氧化能力可以把表面的有機(jī)污染物分解為CO2和水，使玻璃獲得自清潔的性能[6]。這種新型仿生技術(shù)可以用于農(nóng)用車輛、塑料薄膜、太陽能板、指示標(biāo)牌、房屋瓦片上，由此帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。自清潔仿生表面的耐久性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和抗沖擊性等還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 抗黏附仿生農(nóng)具

Barthlott與Neinhuis根據(jù)荷葉表面的超疏水性和自清潔功能，提出了“荷葉效應(yīng)”(lotus effect)[7]。使用超高分辨率電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，荷葉表面分布著平均直徑為5～9μm的微米級(jí)乳突，其上還存在平均直徑約200nm的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，形成典型的二級(jí)微納米結(jié)構(gòu)。粗糙結(jié)構(gòu)之間存有大量空氣，有效地阻止水滴對(duì)荷葉的浸潤(rùn)。天然水滴直徑為100～6000μm，遠(yuǎn)大于荷葉表面乳突間距，水滴不會(huì)浸入凹槽內(nèi)部，而是位于乳突頂部。同時(shí)，荷葉表面覆蓋著直徑50～70nm的蠟質(zhì)結(jié)晶，其主要成分是高級(jí)脂肪酸(higher fatty acid)和一元醇(monohydric alcohol)組成的脂類化合物(lipid compound)、環(huán)狀化合物(cyclic compound；ring compound)、甾醇類化合物(sterol compound)等，為低表面能的有機(jī)高分子熱塑性(thermoplastic)固體[8]。在微納多級(jí)結(jié)構(gòu)和低表面能修飾的協(xié)同作用下，液滴與荷葉表面之間的接觸面積大大降低，同時(shí)改變了三相接觸線的形態(tài)、長(zhǎng)度及連續(xù)性，使液滴在荷葉表面極易滾動(dòng)，顯示出特殊的復(fù)合浸潤(rùn)性。在荷葉效應(yīng)原理的指導(dǎo)下，已開發(fā)出許多具有抗污性能的涂料和抗黏附的產(chǎn)品，如具有良好脫土、耐磨和減阻性能的深松鏟、挖掘斗、開溝器、犁壁、推土板等仿生農(nóng)用機(jī)械，有效地提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本[5]。

3 耐腐蝕金屬基體

世界上每年因腐蝕而報(bào)廢的金屬材料和設(shè)備相當(dāng)于年產(chǎn)量的20%～40%。超疏液表面的粗糙結(jié)構(gòu)中可捕獲大量氣體，使固/液界面產(chǎn)生空氣墊，隔離或明顯減少酸性或堿性液體與基體的接觸面積，有效提高金屬的耐腐蝕性和使用壽命[6]。通過FeSO4溶液浸泡和硬脂酸(stearic acid，十八烷酸)修飾，在Mg合金表面制得Fe(OH)3超疏水涂層，顯著提高了Mg合金基體的耐腐蝕性[9]。極化曲線和電化學(xué)阻抗譜顯示，超疏水Mg合金表面的電化學(xué)阻抗值遠(yuǎn)高于普通Mg合金表面，而腐蝕電流密度(corrosion current density)在超疏水Mg合金表面(1.585×10-7A/cm2)則低于普通Mg合金表面(6.542×10-4A/cm2)3個(gè)數(shù)量級(jí)。利用氟硅烷(fluoroalkyl silane)修飾和電化學(xué)腐蝕(electrochemical corrosion)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Mg合金表面的超疏水性，在多種鈉鹽溶液(NaNO3、NaClO3、NaCl、Na2SO4等)中的耐腐蝕性能均有所增強(qiáng)[10]。超疏水性Mg、Cu、Al、Ti、鋼等金屬表面可賦予農(nóng)用金屬基體優(yōu)異的耐腐蝕性。

4 單向運(yùn)輸捕蟲器

液滴的流動(dòng)可分為雙向運(yùn)輸(bidirectional transport)和單向運(yùn)輸(unidirectional transport；uniport)2種。與雙向運(yùn)輸相比，單向運(yùn)輸較少發(fā)生，因?yàn)橄到y(tǒng)需要外部源源不斷地供給能量，才能保持液體在表面的連續(xù)搬運(yùn)和鋪展。豬籠草(Nepenthes)是熱帶的食蟲植物，憑借葉片末端的特化器官——葉籠(pitcher)捕捉昆蟲，將其轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)元素并加以吸收?；谛螒B(tài)結(jié)構(gòu)和功能特性的不同，豬籠草的葉籠可分為蓋子、口緣區(qū)、滑移區(qū)和消化區(qū)4個(gè)部分。片狀的蓋子使整個(gè)葉籠幾乎密封，能夠保護(hù)葉籠內(nèi)部免受碎屑、雨水、灰塵、顆粒等異物的侵染，減少消化液的蒸發(fā)損失；蓋子還具有彈弩的功能，可在水滴的作用下將獵物彈落至葉籠底部。瓶口狀的口緣區(qū)密集分布著多孔蜜腺，由朝向葉籠內(nèi)部的輻射狀溝槽結(jié)構(gòu)組成，呈現(xiàn)特定方向上的濕滑特征，吸引小型昆蟲并使其滑落至葉籠底部?；茀^(qū)表面由兩端略微向下彎曲的微米級(jí)月骨體和致密排列的納米級(jí)蠟質(zhì)晶體組成，這種鑲嵌結(jié)構(gòu)和互鎖結(jié)構(gòu)具有顯著的低黏附超疏水性，可以有效抑制蟲體附著[11]。豬籠草邊緣擁有各向異性的結(jié)構(gòu)，確保液體的單向連續(xù)流動(dòng)以及水滴的均勻鋪展。豬籠草獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)與捕食功能吸引了科學(xué)家們的極大興趣，已根據(jù)豬籠草的形態(tài)特征、浸潤(rùn)機(jī)理等，開展致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集裝置的仿生設(shè)計(jì)。

5 高負(fù)載水上設(shè)備

在超疏水性的作用下，單個(gè)水黽(Gerris)足排開水的體積可超過自身體積的300倍，單足承載力(capacity)可達(dá)水黽體重的15倍以上，這是水黽能夠在水上快速行走的重要原因[12]。疏水物體表面在水中主要受到2種向上的力：水渦(water vortex)排水產(chǎn)生的浮力；液體形變引起的曲率壓力(curvature pressure)，約等于表面張力的垂直分力[6]。使用超疏水材料提高水上設(shè)備負(fù)載力的研究受人矚目。Feng等發(fā)現(xiàn)，水渦的深度與CA值之間存在一定的定量關(guān)系[13]。Pan等以質(zhì)量為0.1g、CA值不同的銅箔(直徑20mm，厚度50μm)為測(cè)試材料，考察了浸潤(rùn)性與表面負(fù)載力之間的關(guān)系，結(jié)果表明，負(fù)載力隨著CA值的升高而增大，當(dāng)CA值為155.4°時(shí)，銅箔表面的負(fù)載力可達(dá)到自身重量的15.7倍[14]。Lu等利用“谷物圈效應(yīng)”(cheerios effect)，將超疏水六邊形船進(jìn)行自組裝(self-assembly)，六邊形船的寬度越小，新船的負(fù)載力越大[15]。以水黽足為模板開發(fā)的高負(fù)載仿生水上設(shè)備，在水產(chǎn)養(yǎng)殖與管理方面擁有廣泛的用途。

6 結(jié)語

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異，必將深刻地影響世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。特殊浸潤(rùn)性屬于基礎(chǔ)科學(xué)的重要研究范疇，已成為表面科學(xué)和材料科學(xué)的熱門領(lǐng)域之一[16]。仿生技術(shù)與納米技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)、生物技術(shù)、育種技術(shù)、種植技術(shù)、管理技術(shù)等相互交叉和融合，共同為全球的學(xué)術(shù)進(jìn)步、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)注入強(qiáng)勁活力。