仿生超浸润界面

从古至今，自然界奇妙的生物和现象——出淤泥而不染的荷花、翩翩起舞的蝴蝶、娇艳欲滴的红玫瑰、涉水而行的水黾等，都受到文学家、科学家、医学家等各个领域的学者的广泛关注。人们在为大自然的鬼斧神工而赞叹的同时，也一直在思考和研究这些现象背后蕴藏着怎样的科学道理。 
为了解释自然界中的有趣现象并利用其原理，一个新兴的领域——仿生超浸润领域应运而生。该领域自21 世纪以来在全世界范围内迅速发展，属新型交叉科学领域，涉及化学、物理、生物、材料、医学等多个学科。据统计，全球每年有上千篇相关研究发表在国内外高水平期刊上。与诸多前沿研究领域不同的是：该领域基础研究的深入和突破，促使其产业化应用进程不断提速，相关微纳米超浸润科技被迅速推广及工业化，并已有诸多成功应用案例；相关研究、科技涉及的知识十分有趣且易懂，一些应用还涉及日常生活，如自清洁玻璃、防水防污衣物、超疏水防冰涂层、可穿戴设备等，即使是非专业人士也可以轻易地理解、获取其中的关注点并拓宽视野。 
师法自然，借鉴生物界面在微纳米尺度上对于物质、能量具有独特的操控能力的自然现象，揭示生命体系界面超浸润的机理和奥秘，为超浸润界面材料的研发提供科学依据，开拓一系列材料制备新方法和技术，构筑众多仿生超浸润体系，常常可解决一些结构材料、功能材料在实际使用时面临的问题。通过模仿生物界面，在材料表面构筑微纳米超浸润结构，可规避传统材料的缺陷和/ 或实现材料的多功能化，相关技术具有广阔的发展前景，可对资源、能源、环境、健康等产生积极而深远的影响。 
仿生超浸润领域在过去的重要性、现在的影响力和未来的可期、可用、可为，充分说明该领域具有无限潜力和生机活力。只有观大势、明大势，才能应势而动、顺势而为。正是基于对仿生超浸润领域发展光明前景的展望和期待，笔者决心编写此书，从略显艰深晦涩的专业理论，到通俗奇妙的自然现象，从深入浅出的科学背景介绍，到新兴前沿的材料应用研究，希望为读者带来一些科学、文化、前瞻的启发。 
本书介绍了仿生超浸润领域的发展历史与研究进展，系统阐述了相关基础界面浸润理论、界面黏附理论与相关液滴行为理论知识，详细介绍了在空气或水下环境中表现出特殊浸润性及黏附状态的自然界面、人造仿生智能界面。书中还展开介绍了超浸润微纳米界面的仿生制备方法、在各学科领域的应用研究及实际应用成果，特别介绍了近年来发展迅速的刺激响应超浸润智能界面、超浸润界面在能源等新兴领域的最新研究进展，并总结了该领域当前的成果、挑战及未来可能的发展方向。 
本书融可读性、趣味性、学术性于一体，可供仿生、表界面浸润与黏附、微纳米结构制备等研究领域人员参考，亦可作为仿生爱好者的科普读物；本书涉及跨领域知识，还适合作为高等院校材料类专业、化学化工类专业、机械专业、生物科技类专业、水利及流体等相关专业本科生或研究生的进阶教材，部分章节的内容适合电子、医学、环境等相关领域特定二级学科学生学习了解。 
由于编者水平有限，书中难免会有疏漏之处，敬请读者批评指正。 

编 者 
2022 年2 月

本书全面介绍了仿生超浸润领域的发展历史与研究进展，相关基础界面浸润理论、界面黏附理论与相关液滴行为理论知识；详细介绍了在空气或水下环境中表现出特殊浸润性及黏附状态的自然界面、人造仿生智能界面；书中还展开介绍了超浸润微纳米界面的仿生制备方法、在各学科领域的应用研究及实际应用成果；介绍了近年来发展迅速的刺激响应超浸润智能界面、超浸润界面在能源等新兴领域的最新研究进展，并总结了该领域当前的成果、挑战及未来可能的发展方向。为让更多的人了解仿生超浸润领域的发展情况和奥秘，本书注重可读性、趣味性、学术性的统一与融合。本书可供材料、化学化工、机械、生物科技等专业领域，尤其是仿生、表界面浸润与黏附、微纳米结构制备等研究领域的人员参考，亦可作为高等院校相关专业的教材，还可作为仿生爱好者的科普读物。

李昶，帝国理工学院，博士研究生，李昶，(英国)帝国理工学院机械工程学院博士研究生。硕士学位获得于北京航空航天大学，期间于化学学院郑咏梅教授/江雷院士课题组从事仿生微纳米表面浸润课题研究；博士阶段正于帝国理工BamberBlackman教授/林建国院士团队继续研究表界面相关课题。现为国际仿生工程学会会员，中国化学会会员；International Materials Reviews期刊审稿人European Journal of Biophysics期刊编辑部审稿人。2015年起至今在一线长期从事微纳米材料、表界面相关性能研究，课题涉及微纳米结构可控合成与表征、仿生微纳米超浸润界面材料集水性能等。

第1章　绪论 001 
1.1 仿生超浸润领域背景及发展简史 002 
1.2 超浸润界面研究的意义 004 
1.3 仿生超浸润界面名词解释 005 
1.4 本书内容总括 006 
课后习题 006 
参考文献 007 

第2章　界面浸润基础理论 012 
2.1 亲液性和疏液性的定义 013 
2.2 超浸润 014 
2.3 液滴与表面之间的浸润接触模型 015 
2.3.1 杨氏模型 015 
2.3.2 Wenzel 模型 016 
2.3.3 Cassie-Baxter 模型 017 
2.3.4 Transition 模型 018 
2.4 水- 油- 固三相体系中的浸润情形 019 
2.5 接触角滞后现象 021 
2.6 本章小结 023 
课后习题 023 
参考文献 024 

第3章　界面黏附基础理论与液滴行为 030 
3.1 表面张力、润湿与黏附功 031 
3.2 黏附理论 033 
3.2.1 机械互锁理论 033 
3.2.2 经典吸附理论 034 
3.2.3 毛细- 黏性附着模型、抽吸模型 036 
3.2.4 静电理论、化学键理论 037 
3.2.5 黏附理论小结 038 
3.3 浸润性、黏附力与液滴行为的关系 039 
3.4 微纳米结构上的液滴受力、行为 040 
3.4.1 微纳米沟槽与毛细力 040 
3.4.2 锥度结构与拉普拉斯压差 041 
3.4.3 异质结构与表面能梯度 042 
3.4.4 倒刺、斜角、凹角结构与黏滞力差 043 
3.4.5 动能诱导液滴合并与定向移动 044 
3.5 本章小结 045 
课后习题 045 
基础知识参考书目 047 
参考文献 047 

第4章　界面浸润及黏附相关性能表征 050 
4.1 静态接触角测量 051 
4.2 液体界面张力测试 052 
4.3 固体表面能测试 053 
4.4 接触角滞后测试 054 
4.4.1 前进角、后退角测试 054 
4.4.2 滚动角测试 055 
4.4.3 其他表征接触角滞后的方法 056 
4.5 黏附力测试 057 
4.6 本章小结 057 
课后习题 058 
参考文献 059 

第5章　自然界超浸润界面 061 
5.1 超疏水低黏附表面 063 
5.1.1 荷叶 063 
5.1.2 猪笼草 064 
5.1.3 蚊子复眼 065 
5.2 超疏油（超双疏） 表面 065 
5.2.1 枯草芽孢杆菌 067 
5.2.2 叶蝉 067 
5.2.3 跳虫 067 
5.3 超疏水高黏附表面 068 
5.3.1 红玫瑰花瓣 068 
5.3.2 花生叶 069 
5.3.3 槐叶萍 069 
5.3.4 壁虎脚掌 070 
5.4 各向异性表面 071 
5.4.1 蝴蝶翅膀 072 
5.4.2 水黾足部 073 
5.4.3 水稻叶 073 
5.4.4 黑麦草叶 074 
5.4.5 沙漠甲虫 075 
5.4.6 蜘蛛丝 076 
5.4.7 仙人掌 076 
5.4.8 南洋杉叶 078 
5.5 超亲水表面 078 
5.6 水下超疏油界面 080 
5.6.1 荷叶下表面 080 
5.6.2 鲀鱼表皮 081 
5.6.3 蛤蜊内壳 081 
5.6.4 鱼鳞 082 
5.6.5 虾壳 083 
5.6.6 海藻 083 
5.7 本章小结 084 
课后习题 084 
参考文献 087 

第6章　超浸润界面的仿生制备技术 093 
6.1 “自下而上”法 094 
6.1.1 水热生长 094 
6.1.2 化学气相沉积 095 
6.1.3 原子转移自由基聚合 096 
6.1.4 表面氟化处理 096 
6.1.5 涂布法 097 
6.1.6 物理气相沉积法 098 
6.1.7 电化学沉积法 099 
6.1.8 静电纺丝法 100 
6.1.9 逐层自组装 100 
6.2 “自上而下”法 101 
6.2.1 机械磨损 101 
6.2.2 化学刻蚀法 102 
6.2.3 等离子体处理 103 
6.2.4 溶胶- 凝胶法 104 
6.2.5 呼吸图法 104 
6.3 整体模仿成型 105 
6.3.1 软复型法 105 
6.3.2 3D 打印 106 
6.4 本章小结与补充说明 108 
本章习题 109 
参考文献 111 

第7章　仿生超浸润材料及其应用 119 
7.1 自清洁 120 
7.1.1 空气中自清洁 120 
7.1.2 水下自清洁 121 
7.2 液滴操控 122 
7.2.1 空气中液滴操控 122 
7.2.2 水下油滴操控 123 
7.3 集水 124 
7.4 防覆冰 128 
7.5 油水分离 130 
7.5.1 超疏水- 超亲油材料 131 
7.5.2 水下超疏油材料 131 
7.5.3 捕油 134 
7.6 防油涂层 134 
7.6.1 超双疏表面 134 
7.6.2 水下超疏油界面 135 
7.7 耐腐蚀、化学屏蔽 136 
7.8 防堵塞 137 
7.9 抗生物黏附、抗菌 138 
7.10 漂流 141 
7.10.1 载重漂浮 141 
7.10.2 流动减阻 143 
7.11 液体透镜 144 
课后习题 145 
参考文献 147 

第8章　可切换浸润或黏附的智能响应界面 156 
8.1 拉伸响应表面 157 
8.1.1 各向同性表面 159 
8.1.2 各向异性表面 159 
8.2 磁响应界面 161 
8.2.1 空气环境 161 
8.2.2 水下环境 164 
8.3 温度响应界面 165 
8.3.1 空气环境 166 
8.3.2 水下环境 169 
8.4 电响应界面 171 
8.4.1 空气环境 172 
8.4.2 水下环境 176 
8.5 光响应界面 180 
8.5.1 空气环境 180 
8.5.2 水下环境 183 
8.6 pH 值响应界面 186 
8.6.1 水下油浸润性切换 186 
8.6.2 水下油黏附性切换 187 
8.7 其他响应 189 
8.7.1 结构诱导（水下环境） 189 
8.7.2 密度响应（水下环境） 190 
8.7.3 路易斯酸碱作用（水下环境） 191 
8.7.4 湿度响应（空气环境） 192 
8.7.5 气流响应（空气环境） 194 
8.8 双响应、多响应 194 
8.8.1 双响应 195 
8.8.2 多响应 196 
8.9 本章小结 198 
课后习题 198 
参考文献 199 

第9章　超浸润相关领域的新发展 209 
9.1 水能收集 210 
9.1.1　压电纳米发电机 211 
9.1.2　摩擦生电纳米发电机 211 
9.1.3　基于材料表面能的能量转化 213 
9.2 热管理 213 
9.2.1　冷凝传热 214 
9.2.2　太阳能蒸汽产生技术 214 
9.3 量子限域离子超流体 216 
9.3.1　超流体的概念及发展 216 
9.3.2　在电池领域的应用 218 
9.3.3　离子通道盐差发电 220 
9.4 两亲性超分子 222 
9.4.1　自组装刺激响应纳米材料 222 
9.4.2　制备多孔材料 225 
9.4.3　合成纳米孔/ 离子通道 226 
9.4.4　在无机材料表面的组装 228 
9.4.5　两亲超分子的药物释放应用 230 
课后习题 232 
参考文献 233 

第10章　总结与展望 238 

课后习题参考答案 243

1.全面、系统地介绍了仿生超浸润界面的相关知识；2.介绍了仿生超浸润界面的前沿研究进展、制备方法、应用成果；3.四色印刷，高清大图，给读者以直观的感受；4.每章后列有习题，可供读者巩固前面的知识。