談到仿生材料或者聊到超疏水材料，江雷教授一定是必聊的話題。

    江雷教授在仿生功能界面材料的制備及物理化學性質研究等領域是絕對是名副其實的大牛，在2009年當選中科院院士時，年僅44歲。這不，今年2月份，江雷教授因在超疏水性和親水性涂層方面的貢獻當選為美國國家工程院外籍院士。

    本文利用Web of Science核心合集為檢索平臺，以超疏水為主題檢索詞，對江雷教授近十年（2006-2016）的SCI論文進行了檢索，除去綜述文章后，挑選了被引次數≥100，或者年平均被引次數≥20的文章進行了整理和匯總，希望能給對超疏水感興趣的親們提供一些便利！

    <2006年>

    1，一步溶液浸漬法制備加工穩定的仿生超疏水表面

    仿生形態發生技術對合成納米、微米尺度的無機晶體和有機/無機復合材料十分流行，能夠精確控制材料的尺寸、形態、取向、組織和復雜形態。眾所周知，形態發生過程已經被用來制造獨特的功能性表面，諸如具有自清潔功能的超疏水表面等。超疏水表面的制備方法多樣，大多數是對蓮花葉片表面的仿生，但都有一定的局限性，如工作環境受限、材料價格昂貴、耐候性持久性差等。

    本文，作者介紹了一種非常簡易可行的方法，構造了一種環境穩定性強的脂肪酸金屬羧酸鹽超疏水表面。這種超疏水表面對工業應用十分重要，對長期以來困擾人們的金屬或合金材料的環境污染和銹蝕問題提供了解決方法。作者以銅板為例，只需將銅板或者任何表面覆蓋銅的基板，在室溫下浸漬在一種多碳脂肪酸溶液中，便可成功在銅板表面生成十分穩定的仿生超疏水表面，其本質上是生成了形似花朵的群簇涂層Cu（CH3（CH2）12COO）2，與水的接觸角約為162°。這為工業化生產超疏水表面開拓了一條寬廣的道路。

    2，可控潤濕性和光致變色性的雙重響應氧化物薄膜

    作者通過靈活的電化學沉積法制備了一種性能良好的雙表面的功能化的氧化鎢薄膜。這種薄膜可以通過交替的UV光照射和黑暗中保存的方法來實現在超疏水和超親水的可逆性轉變。這一現象往往伴隨著光致變色現象。

    3，雙響應表面——超親水和超疏水性的轉換

    通常，超疏水表面的接觸角（CA）大于150度，能夠通過調控疏水表面的拓撲形貌；而超親水表面CA約為0度，能夠通過三維或二維毛細效應來實現。文獻中有報道過在諸如溫度、pH值、光等單一的外界條件作用下，表面的親疏水性能發生轉變的單一響應性，但還沒有能夠在超疏水和超親水性之間轉變的雙響應型表面的報道。

    本文中，作者報導了一種具有可調的潤濕性的雙應激響應型表面，在超疏水和超親水性之間發生可逆的轉變，并同時對溫度和pH值具有響應性。作者在平整和粗糙的硅基片表面制備P（NIPAAm-co-AAc）薄膜（即N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚物薄膜）。超親水性和超疏水性之間的可逆轉變，能夠在很窄的溫度變化范圍（約10℃）和很寬的pH值變化范圍（約10）中發生。這種雙應激響應行為是基于表面化學變化和表面粗糙度變化的結合。在單一的PNIPAAm薄膜只對溫度響應性的基礎之上，雙應激性的P（NIPAAm-co-AAc）薄膜，由于加入了對pH敏感的丙烯酸組分，而對pH值產生了響應性。此外，這種共聚物的低臨界共融溫度（LCST）隨pH的增加時可調的。

    4，腐蝕性環境中的穩定超疏水導電聚苯胺/聚苯乙烯薄膜

    作者通過簡單的靜電紡絲的方法制備了具有蓮花葉片結構的聚苯胺（PANI）/聚苯乙烯（PS）復合薄膜。在寬pH范圍中的酸、堿溶液和氧化性溶液中，這種薄膜能夠表現出穩定的超疏水性和導電性。特殊的表面成分和表面形貌是產生這種不同尋常性質的重要因素。苯乙烯組分能夠強烈地影響復合薄膜的形貌，而表現出不同的超疏水性和導電性。（注：聚苯胺經摻雜后具有導電性，是一種導電高分子。）

    <2007年>

    5，仿生研究：分層結構是如何造就水黽腿的超疏水特性

    水黽是典型的具有“水上漂”技能的昆蟲，能夠輕松地在水面上站立或快速行走。本文研究了水黽腿具有疏水性的機理。SEM照片顯示，水黽腿上的獨特的層狀結構，包含著許多的取向的針狀微型剛毛，剛毛上具有精細的納米凹槽結構。一條腿在水面上的最大支撐力可高達152 dynes（達因，施力單位，使質量是1克的物體產生1厘米/秒^2的加速度的力，叫做1達因），這是水黽身體重量的15倍。作者從理論上證明了，取向的微型剛毛上的納米凹槽結構，與腿上的蠟質物之間的協同作用下表現出疏水性。這一發現有助于微型水上器件和不潤濕性材料的革新和設計。

    6，蚊蟲復眼仿生：通過軟光刻制備具有干式防霧性能的人造“復眼”

    霧，是在當濕氣濃縮、液滴積累成為直徑大于190nm或者說大于可見光波長（380nm）的一半時產生的。解決這一問題，可以通過兩個途徑：1.超親水途徑（接觸角CA小于5度）；2.超疏水途徑（CA大于150度），以及極低的CA滯后性。目前為止，幾乎所有的報道都集中在前一種方法上，例如光學透明涂層等，最著名的例子是光催化的TiO2納米顆粒涂層在UV光照照射下變為超親水性。

    最近，利用毛細效應，通過從逐層組裝的納米粒子構造3D納米多孔結構實現超親水性。防霧的關鍵，是利用這種“濕”的策略，使得微米尺寸的霧滴迅速的鋪展成均一的薄膜，從而避免了成核的霧滴對光的散射和反射。

    大多數的防霧涂層是透明的，但也有很地方的應用并不需要透明性，例如油漆的溶脹和脫落問題，和金屬的表面防銹蝕等。這些問題是由于水分的吸附造成的，超親水涂層很難在這些領域應用。因此，就需要“干”的防霧策略，也就是利用超疏水技術使得水分或者霧滴無法在表面成核。在仿生學領域，對于蓮花葉片的自清潔能力和能在水面行走的水黽腿微觀結結構的研究對超疏水表面的設計具有啟示作用。基于這種仿生而研發的超疏水材料應用在很多方面，也一直被認為能夠作為防霧涂層使用，但根據General Motors的研究表明，蓮花葉片能夠被霧滴變“濕”，因為霧滴為微米大小，能夠掉落在葉片微乳凸之間的空隙中。這也就表明，同類型的超疏水材料不適合用來解決這種防霧的問題，人需要新的解決思路。

    本文，作者報道了一種新穎的生物型超疏水防霧策略。庫蚊的復眼具有理想的超疏水性能，使其能夠在潮濕的環境中保持視覺清晰。作者的研究表明，這種超疏水性來自于巧妙的精細的微米和納米結構：六方非密堆積（ncp）的納米尺度的乳突結構，能夠防止微米大小的霧滴在小眼的表面凝結；而每個小眼之間為六方密堆積（hcp）能夠防止霧滴進入小眼之間的空隙中。利用軟光刻技術，以及對微米和納米結構表面疏水性的研究，作者制造出了人工的“復眼”。這一成果將有望應用在超疏水防霧涂層中。

    7，具有高粘附力的超疏水表面在超順磁性微液滴輸運中的應用

    磁性納米材料與生物分子的結合，在諸如生化分離、藥物靶向傳遞、免疫分析等諸多領域有著廣泛的應用，這就對這些小體積液體的可控輸運提出了更高的要求。然而難題是：輸運材料往往容易在自然接觸中吸附在物體壁上，造成通道的污染和堵塞。這樣就對永久微通道的液體的輸運造成了限制，也就限制了可操作性和容錯性；而生硬的轉向容易造成湍流和剪切。目前有很多報道通過光、點、磁等多種途徑實現了對微液滴的懸停。然而，這些方法操作困難且無法避免疏漏。

    作者在多孔氧化鋁薄膜模板上制備了成排的PS納米管層。這種具有強粘附力的超疏水表面恰好有能夠完全輸運微液滴的優勢。超疏水表面與水的接觸角大于150度，能夠避免潤濕問題。液滴在這類表面往往保持準球形，從而減少了與固體表面的接觸面積，有效避免了液滴的沉積。此外，強粘附力能夠使得液滴精準的保持在應有的位置，沒有滑動和旋轉。作者利用超疏水表面實現了對超順磁性微升級液體液滴的可逆性定向輸運，并且在交變磁場中沒有體積損失。

    8，超疏水狀態的定義

    本文是作者對超疏水現象的科學定義和說明，是在超疏水PS納米管薄膜工作的基礎上，對一些學術爭論問題的理解和解釋。是研究人員之間學術觀點的交流以及碰撞出火花的產物。

    9，焓驅動的超親水/超疏水表面的三態轉變

    受到自然的啟示，作者報道了智能表面，能夠在熱、光等外界刺激下產生超疏水和超親水之間的轉變。然而，幾乎所有的表面轉變都限制在熵驅動過程；焓驅動的轉變沒有被很好的探索和研究。本文，作者介紹了一種通過焓驅動過程實現在穩態超親水，亞穩態超疏水，穩態超親水三種狀態之間進行轉變。這種宏觀的表面現象起源于DNA納米器件的集團運動。這種轉變行為能夠為理解生物行為提供模型，也為智能表面的設計提供幫助。

    10，多重響應性表面超親水性和超疏水性的轉變

    具有超親水性和超疏水性的表面的制備是通過表面粗糙度和表面化學變化的結合。目前有許多智能表面的報道，這些表面能夠在溫度、pH、光等外界刺激下實現超疏水和超親水之間的轉變。但是在諸如表面活性劑、智能微流體開關、藥物輸運等應用方面，多響應性材料是必不可少的，也就是要求材料對多重外界刺激均具有響應性。本文，作者報道了一種具有多重刺激響應性的表面，能夠在隨著葡萄糖、pH、溫度的轉變而在超親水性和超疏水性之間轉變。

    11，超疏水蝴蝶翅膀的定向粘附性

    作者研究發現，大閃蝶翅膀具有定向粘附性，液滴在身體中軸線徑向向外（RO）的方向容易滾動；而在逆RO方向則被緊緊釘扎在原位。有趣的是，這兩種不同的狀態能夠通過調整蝴蝶翅膀的“姿勢”（朝上或朝下）來轉變，也可以通過改變氣流經過翅膀的方向（沿RO或逆RO方向）而調整。作者對這種性質的成因進行了深入的研究和分析。

    12，導電的超疏水紅毛丹狀聚苯胺空心微球

    近期，微納尺度的導電高分子空心球十分引人注意。通常，空心球往往通過球形粒子作為模板，例如二氧化硅膠體，PS珠，無機粒子等，隨后通過煅燒、溶劑刻蝕等方法移除球心。由于總要移除球心物，因此再現性較差，并且在移除后難以保持原本的有序結構。

    本文，作者介紹了能夠通過自組裝方法制備摻雜的聚苯胺（PANI）空心微球。通常，導電空心微球容易受到濕氣、灰塵等環境因素的影響，而超疏水表面與水的接觸角大于150度，具有很強的水排斥性，在實際應用中，能防冰雪粘附、交夠通工具的自清潔等。作者認為，給具有微納結構的導電高分子賦予超疏水特性，將十分有趣。

    <2008年>

    13，花瓣效應-具有高粘附力的超疏水狀態

    紅玫瑰花瓣表面具有層狀的微乳突和納米褶皺，這些微納結構為超疏水性提供了足夠的粗糙度，同時也產生了對水的高粘附力。花瓣上的水滴呈現出球形，但將花瓣顛倒后卻不易滾落。作者把這種現象稱為“花瓣”效應，可與著名的“蓮花”效應類比。作者通過對花瓣表面的模仿，使人工生產的仿生聚合物薄膜表面也具有了清晰的納米壓花結構。

    <2009年>

    14，設計可調控水粘附性超疏水多空納米結構

    很多研究正致力利用多孔納米結構來制造具有可調控的水粘附性超疏水表面。本文作者設計了三種超疏水納米結構模型，包含有納米孔陣列（NPA）、納米管陣列（NTA）和納米符山石結構（NVS）。基于粗糙度增強超疏水性和毛細作用誘導粘附性的基本原則，這些不同的多孔結構需要創造出具有低粘附力的表面。

    <2010年>

    15，潤濕蜘蛛絲上水滴的定向收集

    不論是植物還是動物，其生物膜表面的微、納尺度的結構特性往往控制著表面與水的相互作用，也即潤濕性。自然界中有一個有趣的例子，沙漠中的甲殼蟲利用背部微米尺度的圖案化的親水和疏水區域來收集空氣中的水分。作者對草間蟱蛛的蛛絲結構及性質進行了詳細的研究，作者發現蛛絲具有的特殊結構使其在軸節和節點之間具有表面能梯度以及不同的Laplace壓力降，兩種因素共同導致了在蛛絲的軸節附近能夠持續不斷地定向的進行水滴的凝聚和收集。基于對蜘蛛絲研究的啟發，作者設計了人工纖維，模仿了蛛絲的結構特點，使其具有定向的水收集性能。

    <2011年>

    16，曲率驅動下水滴在超疏水表面輸運的“釘扎”（Pinned）和“滾落”（Roll-Down）的原位可逆轉換

    本文作者首次報導了一種新穎的由曲率驅動的原位轉變，實現了超疏水表面的釘扎（pinned）和滾落（roll-down）狀態的可逆轉變。作者利用具有高粘附力的超疏水的PDMS柱形陣列薄膜作為pinned態，而當其曲率增加到特定范圍時，粘附力和滑移角開始明顯下降，呈現出典型的Cassie超疏水狀態。基于這種獨特的轉換，一個原位的水滴輸運“機械手”成為可能。由于多數高分子薄膜柔性大，容易改變曲率，這就為潤濕性的控制，提供了一種曲率驅動新途徑。

    <2012年>

    17，微米/納米結構表面的抗冰性能

    人們基于仿生明白了生物潤濕性的機理，從而制備出了多種多樣的超疏水表面。技術的提升，也使得基于仿生的材料結構的制備越來越精細。但很多室溫下穩定的超疏水性能在低于零度時就失效了。疏水性和抗冰性對于諸如機翼、發電塔、雷達等長久處于低溫的器件十分重要，一旦結冰將難以工作甚至損壞。

    近期，一種ZnO納米毛發組成的表面實現了超疏水和抗冰性統一結合，這主要基于這種材料的納米結構和低表面能。作者受到蝴蝶翅膀微-納結構特性的啟發，并結合機械加工和晶體生長，對具同時具有穩定的超疏水性和抗冰性的表面微觀結構進行了研究，研究了微米尺度結構和納米尺度結構對表面性能的影響。

    18，靜電紡絲法制備具有高油吸附能力多孔結構的纖維薄膜

    通過靜電紡絲法制備一種低成本的高油吸附性的PS薄膜。不同的纖維直徑和多孔纖維表面拓撲結構在油吸附性能和油水分離中起到重要作用。作者分別用柴油、硅油、花生油、機油對這種PS薄膜的吸油性能進行了測試，結果表明吸油性能高于普通的沒有多孔結構的纖維吸附劑。即使是很薄的多孔PS薄膜吸附劑同樣具有出色的油水分離能力。

    <2013年>

    19，沸石涂覆的網片薄膜用于高效油水分離

    油水分離對于越來越多的工業含油廢水泄露和原油泄露等緊急事件十分重要。具有特殊潤濕性的薄膜材料常用于油水的分離。然而，制備高能效和穩定的適合特定油水分離的薄膜仍然是一個挑戰。沸石薄膜獨特的氣孔性，出色的化學穩定性、熱穩定性以及機械穩定性等都十分引人注目。本文中，作者首次展示了沸石涂覆的網片薄膜在重力驅動下的油水分離，實現了對多種不同類型油的高效分離，這是基于沸石表面出色的超親水性和水下的超疏水性。

    20，超疏水和超親水的PVDF薄膜用于水油乳劑的高通量高效分離

    本文，作者介紹了一種簡易的方法來制備超疏水-超親水的聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜，主要利用了在惰性溶劑誘導下發生的相反轉現象。這種薄膜可有效分離沒有表面活性劑和有表面活性劑存在的水油乳劑，僅需通過重力驅動即可，并且有很高的分離效率。更值得一提的是，該膜具有很高的通量，是商用的高壓驅動的濾膜的數倍，且易于循環利用。

    21，仿生多功能泡沫具有自清潔和油水分離功能

    油水分離是一個世界性的挑戰。受到自然界中具有自清潔性的蓮花也和多孔生物材料的啟示，作者設計制備出了同時具有超疏水性和超親水性的聚氨酯（PU）泡沫，它密度低、質輕并且超疏水，因此能輕松的漂浮在水上。此外，這種泡沫材料對腐蝕性液體有強排斥性，具有清潔功能和油水分離功能，集多功能為一體。作者希望，這種低成本的制造工藝能夠廣泛地應用在多用能泡沫的生產中，以便在大面積油品泄露的清理中加以應用。

    <2014>

    22，鹽誘導制備超親水性和水下超親疏水性的PAA-g-PVDF薄膜用于油水乳劑的分離

    傳統的用于乳化的水油混合物分離的聚合物薄膜往往受到低通量和一系列污染的制約。本文，作者利用鹽誘導相反轉的方法，設計制備了一種新穎的超親水性和水下超疏水性的丙烯酸-偏氟乙烯接枝共聚物（PAA-g-PVDF）濾膜。膜表面分層的微/納結構賦予了它超親水性/水下超疏水性的性質。這種薄膜能夠在施加很小壓力（＜0.3bar）的情況下分離油水乳劑，不論是否有表面活性劑的存在，都具有很高的分離效率和高通量，高于類似商用濾膜兩個數量級。這種濾膜還能夠很好地的防阻塞并且易于長期的循環使用。

    以上便是近年來江雷教授在超疏水領域影響力較高的文獻簡介。不知道大家對超疏水表面是否有了新的認識呢？

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責任編輯：王元

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