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user: 5. 存在问题及应用前景 5.1. 存在的问题 5.1.1. 机械耐久问题 近几年来特别值得关注的是Cassie润湿状态的稳定性，用于诱导所需表面化学以及纳米和微观结构的物理机制，以及制造过程中直接影响表面的耐久性的因素。超疏水表面粗糙度结构通常都比较脆弱，因此在加工的过程之中很容易因机械冲击而受到损坏，因此制备高机械强度的超疏水表面依旧是一个具有挑战性的课题。近年来，有关耐用超疏水表面的研究报告显示爆炸性增长，并且已使用各种技术来生产大面积的“鲁棒性”超疏水材料，这些材料在许多机械磨损后仍保持疏水性。尽管在耐用的超疏水性表面的研究方面取得了重大的科学进展，但是迄今为止，还没有一种超疏水性表面能够承受严格的工业要求和商业标准所要求的所有类型的磨损。 尽管超疏水表面领域在过去的20年中取得了较高的进步，已经证明了各种技术来制造具有相似表面和整体形貌的耐久性材料，这些材料在重复的机械磨损循环后仍可以具有疏水性能。但是要实现实际的技术应用，仍然需要解决许多问题。真正的超疏水状态一定要具有大多数所需的优势及特点，需要相对稳定的Cassie-state，并在其表面获得较高的空气接触面积。 近年来，各种研究团队开发和测试不同的超疏水表面的耐久性，实验设备有所不同，测试条件也有所不同。仍然没有统一和标准化的方法来测量超疏水材料的耐久性。我认为所有声称具有“超疏水”特性的表面文献中都应报告其接触角滞后值等参数，并进行关联，这样才能更好体现所谓的耐久性，开发出更容易检测和标准化的方法来测试粗糙表面在压力，磨损，刮擦，浸入，暴露于污染和其他条件下的鲁棒性。由于制备超疏水表面的方法不同，超疏水表面的结构是多种多样的，这也使得建立统一的标准会更加复杂。现方法大部分适用于光滑表面，因此将方法应用于高粗糙的表面涉及的误差很大。为了实现实际应用，应该解决大规模制造的成本，并探索成本更低的测试机械耐久性替代方法。将来，来自不同领域的研究人员之间的更紧密，更直接的合作将有益于开发更坚固，真正适用的超疏水结构表面。虽然近几年来已经进行了大量测试以报告并声称非润湿性表面是“耐久的”。但是，在非润湿性材料和涂料应用中仍以统一且标准化的方式报告其材料的耐久性。例如，耐久性与铅笔不同硬度摩擦或一定压力下的拖动测试。但是在进行这些磨损测试时，这些不同测试方法下获得的参数使得很难进行有意义的在针对各个实验情况下制造出来的超疏水表面的耐久性的比较。 5.1.2. 制备成本问题 超疏水表面的成本费用主要来源于生产制造的费用，对精密仪器和大批量的化学药剂的需求性较高，从而使其成本偏高，限制于实验室和研究价值。其次，由于制造成本高昂，只有在实现大规模生产的条件下，发挥规模经济才能使生产厂商有利可图，所以在投入生产时就需要有资金实力强的大厂商，从而使其生产受到限制，普通小型厂商不能加入竞争，出现进入门槛高的现象。最后，为实现超疏水材料的质量、性能等方面的优良，就需要具有相关专业知识和理论基础的技术人员，这也加大了其成本费用。 超疏水材料虽然具有清洁环保等优良的性能，但是价格过于昂贵，很难找到工业化应用的市场，也就一直未能大规模地投入市场，近年来研究人员在进行降低其生产成本等方面的大量的实验，努力打破其价格阻碍。然而，超疏水材料在保持其高价格的同时也要看到其优良的性能和使用寿命带来的经济效益。与此同时，要努力改进加工技术，扩太生产规模，走商品化的生产化道路，只有在生产规模达到一定水平后，超疏水材料才能达到企业所接受的水平。 所以，打破高价格障碍是超疏水材料进入市场的关键，价格的挑战促使超疏材料硏究者致力于开发低成本的新型材料，以推动其产品的市场化进程。因此，要实现市场上的流通就必须研究其制造方法，使其趋向自动化和易操作，更好的应用于各个领域，便捷人们生活。 5.1.3. 大面积制备问题 由于超疏水材料的应用研究的目的是为了贴合市场和工业需要，所以成本不仅要低廉，还要具备可以批量的，大面积的生产制备。对于短脉冲激光来说，虽然已经具备了可批量生产化的特点，但仍无法适用于大面积的超疏水表面制备。就目前的研究进展及现状分析，若想要实现工业化的大面积超疏水表面制备，仍需要激光刻蚀法与模板法相结合，用超快激光进行精密加工，构筑出用于模板法制备所必须的反模板，并由此来大面积生产。若要单独利用激光刻蚀法制备大面积超疏水表面，仍需昂贵的设备维护成本及较高的技术支持。所以如何利用短脉冲激光完成工序简洁、成本较低、性能良好的超疏水表面仍是其工业化道路的一大主要问题。 5.1.4. 安全及环保问题 对于已经构筑完超疏水表面微结构的材料来说，下一步就需要进行低表面能的化学药剂处理。这个时候常常会用到一些对人体具有一定腐蚀性或毒性的有机化学试剂。例如常用于处理无机材料的十六烷基三甲氧基硅烷，这种药剂常常会引起人体的呼吸道刺激和皮肤接触刺激。又或是一些形成超疏水的涂层，通常也是有两种或两种以上的有机试剂制备而成。像是向美苏 [ 40 ] 等用溶–凝胶技术，把甲基三甲氧基硅烷和丙基三甲氧基硅烷相结合所得到的复合型涂层，虽然获得较好的超疏水性能，但其混合液可对人体的皮肤、眼部及呼吸道产生严重的刺激作用，且其液体及蒸汽极易燃烧，对产品的安全性有着很大的影响。此类的超疏水试剂及涂层的安全性较低且对环境也会造成一定的影响，回收再利用的工艺成本对比无机材料也较高，这也是其市场化的一大阻碍与困难。 5.2. 应用前景 5.2.1. 粘附性可控响应 近年来，对超疏水性表面的研究已经从简单的超疏水性涂料转向自清洁涂料，双重可控附着力和自我修复等功能性表面，以解决超疏水性表面的问题和应用。现有已经制备出很多附着性可调控的功能性超疏水表面，像是光线调控、温度调控、电磁调控等。Wang [ 41 ] 等制备了低附着力的超疏水TiO纳米管阵列。使用紫外线通过模板选择性地照射表面可以实现水滴从滚动到表面上的粘度的过渡。热处理后，可以恢复低附着力的特性，对表面的附着力具有可控的响应。Verplanck [ 42 ] 等利用纳米金颗粒催化硅纳米线，使其在有氧化膜层的硅基底表面上生长，经低表面能氟碳层修饰后，首次制备得到具有电润湿特性的超疏水硅基纳米线膜层。此表面在空气和油的复合环境中，实现了电润湿水滴的接触角在164˚~127˚范围内可逆变化。 在对粘附具有可控响应的超疏水表面的研究中，超疏水表面只能同时响应一个或两个外部刺激。但如何制备可以同时对多种外界刺激做出反应或快速改变粘附力的超级疏水物表面具有深层意义，可以为超疏水表面的智能化控制起到关键性的指导作用。此外，还有超疏水响应型表面，例如光调节，温度调节和电能调节等。随着智能反应性材料的发展，尽管有许多关于智能可控性超疏水性表面的报道，但由于其复杂且不友好的操作环境和应用要求，迫切需要多种响应，快速响应和制备过程简单的智能型材料，因此具有可控粘合响应的超疏水表面需要进一步研究。发展对外界环境具有响应的超疏水性表面，可以极大的拓展超疏水表面的应用领域，这种智能可调控化发展必然有着很广泛的应用前景。 5.2.2. 微滴传输 一般的固体均匀超疏水表面，其表面的液滴的形状是呈贴近球形形状，但如果其表面微结构并不是均匀分布，而液滴也会趋于不规则的曲线球面形状。由此导致了其表面湿润性在各个方向各不相同，也就是其各向异性的疏水表面。利用其各向异性的特点，可以用于化工类的生产及研究中，通过控制其表面具有方向性的疏水或亲水特点，能够达到精确控制液滴用量或特定的微量液滴运输的效果。 通常各向异性的特殊湿润性表面可分为化学性各向异性和几何性各向异性。基于现有的研究结果来看，几何性的各向异性是比较好调控和制备的。如Nakajima等 [ 43 ] 使用晶体切片技术在硅表面上制备了宽度为49 um，深度为160 um，周期为145 um的平行沟槽结构，然后通过化学气相沉积将七氟癸基三甲氧基硅烷层覆盖在表面上。进行了疏水改性，测试结果表明表面的宏观润湿性能是各向异性的。从平行于凹槽的方向测量的接触角和从垂直于凹槽的方向测量的接触角分别为135˚和117˚，可以获得明显的各向异性疏水表面。Chang-H Wan [ 44 ] 等在2 cm * 2 cm的区域用干涉光刻技术制备了纳米级光栅图案的超疏水表面，在特定方向的流体运输实验中，观测到明显的液体“滑移”现象，并有了良好的各向异性流体减阻减压特性。由此分析，对于各向异性超疏水表面在微流体传输中可以获得很好的应用效果。