如果你仔細觀察過荷葉上的水珠，就會發(fā)現(xiàn)圓滾滾的水珠向四面逃竄，生怕被捕捉到似的，半點駐足都沒有。水珠能在荷葉上如此“絲滑”，是因為荷葉是超疏水材料。

荷葉表面的微米-納米乳突結構 | 參考文獻[1]

受到荷葉表面微觀形貌和化學成分的啟發(fā)，科學家們總結出了制造超疏水表面的一般法則：一是需要在材料表面構建微米-納米級微小粗糙結構，如同荷葉表面的乳突狀結構一樣；二是需要材料表面有較低的表面能，固體物質的表面能越低，疏水性就越好，因此需要盡量降低表面能。從這兩點出發(fā)，近二十年來，人工制造的超疏水材料得到迅速發(fā)展，甚至部分產品已經投入了市場進行商用。

人工超疏水表面在自清潔方面的應用 | 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面能這兩個必要條件，卻也成為超疏水材料的軟肋，阻礙了它的實際應用。首先，材料表面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。

近年來關于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。但更高的強度會導致材料難以降解，用于構成粗糙結構的納米顆粒也難以回收。

同時，為了降低表面能，需要使用大量對環(huán)境和人體危害極大的低表面能改性劑，這些都會造成環(huán)境污染問題。超疏水材料的優(yōu)勢特性之一，是材料具有自清潔性能，可以保護表面不受污染，降低維護成本，達到降低能源和資源損耗的目的。然而，制作它所帶來的環(huán)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(guī)模投入市場之前，我們或許需要先考慮如何解決這些材料在制備、使用以及廢棄后的各個環(huán)節(jié)所帶來的環(huán)境污染問題。

“綠化”超疏水材料

實際上，在解決超疏水材料所帶來的環(huán)境污染問題方面，材料科學家們也提出了一些可能的策略，比如用可生物降解的塑料制備超疏水材料。提出這一策略的出發(fā)點是好的，具體應用卻可能產生問題。這些可生物降解的塑料在單獨使用時或許能夠滿足環(huán)保要求，但是在超疏水材料中，這些材料并非單獨使用，為了得到疏水性，還需要使用改性劑進行表面改性，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(huán)境中。因此，這類為環(huán)保而生的可降解塑料并不適用于制備超疏水材料，能解決污染問題的新方法仍待發(fā)掘。

以生物質材料制備成的超疏水涂層 | 參考文獻[3]

近年來，科學家們研發(fā)了一些在特殊化學環(huán)境下可快速降解，并且可以高效回收的高強度塑料，這成為可降解、可回收塑料體系的又一分支。其中，2014年Garcia, J.等人發(fā)現(xiàn)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(fā)，2021年5月，蘭州大學門學虎團隊、中科院蘭州化學物理研究所張招柱團隊，以及英國瑪麗女王大學陸遙團隊通過合作，提出將PHT與疏水顆粒結合，用該策略實現(xiàn)超疏水材料在制備、使用和廢棄后處理等各個環(huán)節(jié)的綠色無污染。

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

不同于前人的方法，門學虎團隊在這一工作中用水相反應制備PHT納米顆粒，以便與經過表面改性的各類疏水顆粒均勻混合。混合后的粉末通過熱壓方法制備出致密的塊體材料，其表面經過簡單的打磨與刻蝕處理后，具有了像荷葉表面一樣的粗糙結構以及超疏水性。超疏水材料的制備完全在水相體系中，避免了有機溶劑污染。

相較于已有的超疏水材料降解、回收途徑，通過這一方法制備出的材料基體可以在酸性環(huán)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，并再次用于制備材料。這種降解與回收方式，避免了白色污染，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生粉塵污染的可能?？梢哉f，將PHT與疏水顆粒結合這一策略在各個環(huán)節(jié)都降低了超疏水材料產生環(huán)境污染的可能性。

不僅如此，材料降解中的一處細節(jié)包含著研究人員為環(huán)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“激活”可降解性的“鑰匙”——加入乙醇后的材料可以在兩小時內快速降解，這一巧妙的辦法實現(xiàn)了材料的化學穩(wěn)定性與可降解性之間的雙贏。

可降解性被“激活”后，材料可在兩小時內降解，并且可以回收 | 參考文獻[4]

在解決問題中進步

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污染，但顆粒仍需要提前進行表面修飾，并且回收的疏水顆粒最終仍會面臨如何處理的問題。其次，熱壓制備的塊體材料應用范圍相當有限。考慮到實用性，團隊正在嘗試從分子層面進行設計，制備本身就具有超疏水性和可降解、可回收性能的材料，這樣一方面避免顆粒的引入，制備出能夠完全降解的超疏水材料，另一方面，從分子角度進行考慮，讓材料形式不拘泥于塊體材料這一種。

人類從自然中獲得靈感，不斷運用智慧與技術，研制開發(fā)出各種新型的材料，而一些新型材料給人們的生活帶來極大的便利。與此同時，科學家除了關注材料功能本身，也越來越意識到環(huán)境保護的重要性，將可持續(xù)發(fā)展這一理念納入到科研的過程中。更多方面的考量意味著更多的挑戰(zhàn)，新的問題會在科研道路上不斷涌現(xiàn)，但材料科學家們不斷過關斬將，開發(fā)出多面全能的新材料來。

也許在不久的將來，超疏水材料會廣泛應用在我們的生活中，人們不再需要費力清潔衣服上不慎沾染的污漬，而大自然也不用擔心這些材料，“弄臟”自己的衣服。對“懶癌”友好又對環(huán)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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