植物葉表面超疏水性研究進展

王萬興 房巖 藍藍 紀丁琪 關琳 盧浩華 郭寶琪 孫剛

（長春師范大學生命科學學院，吉林 長春 130032）

潤濕性是固體表面的重要特征之一，其影響因素主要包括表面化學組成（表面自由能）和表面微觀結構（粗糙度）。表面潤濕性的強弱通常用接觸角來表征。超疏水表面在防腐蝕、防雨雪、抗氧化、自清潔功能、微流體系統等方面具有廣闊的應用前景，因而引起人們極大關注。自然界中很多生物的體表（如昆蟲的翅表面、植物的花瓣和葉片表面）表現出超疏水性，可用作特殊潤濕性功能表面的仿生制備。

1 荷葉

2 花生葉

邱宇辰等研究發現，水滴在花生葉片表面呈球狀，接觸角為151.0±2.0，具有超疏水性[4]。在新鮮的花生葉表面上，丘陵狀微米結構上面無規則排列著納米薄片結構，形成微尺度下無序排列的空隙。花生葉表面微納米多尺度結構顯著增加了其表面的粗糙程度，表現出超疏水特性。

3 美人蕉葉

4 霸王鞭葉和麒麟掌葉

5 蘆葦葉

6 櫻桃葉

櫻桃葉表面具有特殊的復合浸潤性，包括低黏附性、超疏水性、自清潔性等，接觸角和滾動角分別為155.1和4.6。櫻桃葉表面具有典型的微納米多層次結構。葉表面密布網格和絨毛，形成一級結構。在電子掃描顯微鏡下，葉表面呈現微米級乳突，形成二級結構。進一步放大倍數，可見二級結構上具有很多大小不一、形態各異的粗糙單元（間距 45～65μm，直徑 8～13μm），形成三級結構。這種多級微觀結構構成葉表面特殊潤濕性的結構基礎。進一步研究表明，櫻桃葉主要由糖類、脂類和蛋白質等天然疏水材料構成，構成葉表面特殊潤濕性的化學基礎。粗糙結構與化學組成之間的協同作用導致葉表面的復合浸潤性[9]。

房巖課題組以櫻桃葉為模板，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基質，采用軟刻蝕法，制備了超疏水仿生膜，接觸角可達150.3。仿生膜表面的接觸角低于葉表面的接觸角，是由于葉表面的多級粗糙結構無法完全復制到高分子膜表面，雖然一級結構和二級結構的分布與葉表面相同，但納米結構只有80%～90%成功復制，從而在一定程度上降低了仿生膜表面的接觸角[9]。在仿生材料制備領域，納米級結構的復制仍是難點，如何使基質更加有效進入納米級空隙是下一步的研究重點之一[10-13]。

7 水稻葉

水稻葉同時具有高接觸角、低滾動角和各向異性。水滴在荷葉表面向各個方向滾動的機會相等，但在水稻葉表面滾動則具有明顯的方向性，橫向和垂向滾動角分別為3～5和9～15。這種各向異性是固體表面的一種重要特性，對疏水性、粘附性等具有顯著的影響。通過掃描電子顯微鏡觀察發現，水稻葉表面呈現微納米復合等級結構，乳突平行于葉緣有序分布[14]。水稻葉表面三相接觸線的各項異性決定了液滴滾動行為的各項異性。在不調整化學組成的前提下，可通過微乳突排列模式的重組，使液滴的滾動能力隨著方向的不同而不同。這種微觀結構可用于特殊微流管道的仿生設計[15]。

8 小結

植物葉表面的微米級粗糙形態構成一級結構。在一級微觀結構上，分布著形態、大小不一的粗糙單元體，構成植物葉表面的二級微觀結構。這種復合微觀形貌為植物葉表面的超疏水性提供了結構基礎。植物葉的化學成分（如蠟質、蛋白質、脂類等）為表面超疏水性提供了化學基礎。化學組成與微觀粗糙結構協同作用，使植物葉表面表現出良好的超疏水性。超雙疏仿生材料涂在水面艦船、水下潛艇外殼，可以起到防腐、防污、防粘附的作用，同時降低航行阻力，減少燃料使用，加快行進速度。低粘附仿生材料用于微量注射器針尖，可避免昂貴藥物的浪費及污染。超疏水仿生材料用于雷達、天線上，可以防積雪、抗塵埃，保證信號質量。超疏油仿生材料用于輸油管道內壁，可有效防止石油粘附、沉積和堵塞，降低運輸過程中的油品耗損。自清潔仿生材料用于紡織品，可使服裝防水、防污、防漬、易于清洗[14]。

固體表面潤濕性已成為化學、工程學、材料學、物理學、生物學、仿生學的熱點研究課題。隨著科學研究的不斷深入，人們對于微觀粗糙結構與表面潤濕性之間的相互作用取得了更加深入的理解，對于生物表面特殊結構在仿生科學、工程設計、材料科學、生命科學中的作用獲得了更為豐富的認識[15]。經過數十億年的自然進化和系統演化，形態各異的生物體從結構、形態、行為、生理、機能等多種途徑適應環境，實現自身生存和種族繁衍。生物體表作為仿生功能材料和特殊工程材料的設計模板，在航空航天、國防、工農業生產、生物醫學工程、環境保護和日常生活中展現出廣闊的應用前景。