特殊浸润性仿生表面在现代农业中的应用

房岩王超孙刚郑慧文苏嘉上官乐辉肖金有龙彪

(1.三明学院资源与化工学院，福建 三明 365004；2.药用植物开发利用福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室，福建 三明 365004)

固、液、气是物质的3种基本形态，每种形态往往会与其它形态彼此接触在一起，形成不同类型的固/液/气界面。在自然界中，许多动植物表面具有优异的超疏水浸润特性，如荷叶、蝴蝶翅、樱桃叶片、玫瑰花瓣、水黾足、家鸽羽毛等[1-4]。界面处的特殊浸润性(extreme wettability)受到学术界和产业界普遍关注，已成为材料科学最热门的研究领域之一，被广泛应用于自清洁、防腐、防污、防水、防油、防雾、防冰、国防军工、环境保护、流体减阻、油水分离、水雾收集、微液滴操作、细胞工程等诸多工程领域，在农业领域也展现出广阔的发展前景[5]。

1 自清洁仿生表面

自清洁效应(self-cleaning effect)是发现最早、研究最多的特殊浸润性表面功能，超亲水(superhydrophilic)和超疏水(superhydrophobic)状态都可能实现自清洁效果。对于类似荷叶的低黏附超疏水(low adhesive superhydrophobic)表面，水滴的自由滚动、携走污物(如粉尘、土粒等)是产生自清洁的主要原因。在玻璃上涂上透明的疏水自清洁仿生薄层，即可在雨水的冲刷下实现自清洁，而且不留下任何痕迹[6]。随着表面科学理论的发展，自清洁透明薄膜和涂层的制备方法不断丰富。对于超亲水表面，则具有与超疏水表面不同的自清洁机理，水滴的铺展(spreading)使污染物与超亲水表面之间形成水膜(water film；water layer)，由于污染物附着力的减小，在风力或重力的作用下污染物可以轻易脱落，从而实现自清洁的目的。TiO2超亲水涂层含有具光催化活性(photocatalysis activity)的纳米材料，超强的氧化能力可以把表面的有机污染物分解为CO2和水，使玻璃获得自清洁的性能[6]。这种新型仿生技术可以用于农用车辆、塑料薄膜、太阳能板、指示标牌、房屋瓦片上，由此带来巨大的经济效益和社会效益。自清洁仿生表面的耐久性、经济性、稳定性和抗冲击性等还有待进一步加强。

2 抗黏附仿生农具

Barthlott与Neinhuis根据荷叶表面的超疏水性和自清洁功能，提出了“荷叶效应”(lotus effect)[7]。使用超高分辨率电子显微镜观察发现，荷叶表面分布着平均直径为5～9μm的微米级乳突，其上还存在平均直径约200nm的纳米级结构，形成典型的二级微纳米结构。粗糙结构之间存有大量空气，有效地阻止水滴对荷叶的浸润。天然水滴直径为100～6000μm，远大于荷叶表面乳突间距，水滴不会浸入凹槽内部，而是位于乳突顶部。同时，荷叶表面覆盖着直径50～70nm的蜡质结晶，其主要成分是高级脂肪酸(higher fatty acid)和一元醇(monohydric alcohol)组成的脂类化合物(lipid compound)、环状化合物(cyclic compound；ring compound)、甾醇类化合物(sterol compound)等，为低表面能的有机高分子热塑性(thermoplastic)固体[8]。在微纳多级结构和低表面能修饰的协同作用下，液滴与荷叶表面之间的接触面积大大降低，同时改变了三相接触线的形态、长度及连续性，使液滴在荷叶表面极易滚动，显示出特殊的复合浸润性。在荷叶效应原理的指导下，已开发出许多具有抗污性能的涂料和抗黏附的产品，如具有良好脱土、耐磨和减阻性能的深松铲、挖掘斗、开沟器、犁壁、推土板等仿生农用机械，有效地提高了工作效率，降低了生产成本[5]。

3 耐腐蚀金属基体

世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备相当于年产量的20%～40%。超疏液表面的粗糙结构中可捕获大量气体，使固/液界面产生空气垫，隔离或明显减少酸性或碱性液体与基体的接触面积，有效提高金属的耐腐蚀性和使用寿命[6]。通过FeSO4溶液浸泡和硬脂酸(stearic acid，十八烷酸)修饰，在Mg合金表面制得Fe(OH)3超疏水涂层，显著提高了Mg合金基体的耐腐蚀性[9]。极化曲线和电化学阻抗谱显示，超疏水Mg合金表面的电化学阻抗值远高于普通Mg合金表面，而腐蚀电流密度(corrosion current density)在超疏水Mg合金表面(1.585×10-7A/cm2)则低于普通Mg合金表面(6.542×10-4A/cm2)3个数量级。利用氟硅烷(fluoroalkyl silane)修饰和电化学腐蚀(electrochemical corrosion)技术，实现了Mg合金表面的超疏水性，在多种钠盐溶液(NaNO3、NaClO3、NaCl、Na2SO4等)中的耐腐蚀性能均有所增强[10]。超疏水性Mg、Cu、Al、Ti、钢等金属表面可赋予农用金属基体优异的耐腐蚀性。

4 单向运输捕虫器

液滴的流动可分为双向运输(bidirectional transport)和单向运输(unidirectional transport；uniport)2种。与双向运输相比，单向运输较少发生，因为系统需要外部源源不断地供给能量，才能保持液体在表面的连续搬运和铺展。猪笼草(Nepenthes)是热带的食虫植物，凭借叶片末端的特化器官——叶笼(pitcher)捕捉昆虫，将其转化为生长发育所需的营养元素并加以吸收。基于形态结构和功能特性的不同，猪笼草的叶笼可分为盖子、口缘区、滑移区和消化区4个部分。片状的盖子使整个叶笼几乎密封，能够保护叶笼内部免受碎屑、雨水、灰尘、颗粒等异物的侵染，减少消化液的蒸发损失；盖子还具有弹弩的功能，可在水滴的作用下将猎物弹落至叶笼底部。瓶口状的口缘区密集分布着多孔蜜腺，由朝向叶笼内部的辐射状沟槽结构组成，呈现特定方向上的湿滑特征，吸引小型昆虫并使其滑落至叶笼底部。滑移区表面由两端略微向下弯曲的微米级月骨体和致密排列的纳米级蜡质晶体组成，这种镶嵌结构和互锁结构具有显著的低黏附超疏水性，可以有效抑制虫体附着[11]。猪笼草边缘拥有各向异性的结构，确保液体的单向连续流动以及水滴的均匀铺展。猪笼草独特的形貌结构与捕食功能吸引了科学家们的极大兴趣，已根据猪笼草的形态特征、浸润机理等，开展致灾农业昆虫滑移捕集装置的仿生设计。

5 高负载水上设备

在超疏水性的作用下，单个水黾(Gerris)足排开水的体积可超过自身体积的300倍，单足承载力(capacity)可达水黾体重的15倍以上，这是水黾能够在水上快速行走的重要原因[12]。疏水物体表面在水中主要受到2种向上的力：水涡(water vortex)排水产生的浮力；液体形变引起的曲率压力(curvature pressure)，约等于表面张力的垂直分力[6]。使用超疏水材料提高水上设备负载力的研究受人瞩目。Feng等发现，水涡的深度与CA值之间存在一定的定量关系[13]。Pan等以质量为0.1g、CA值不同的铜箔(直径20mm，厚度50μm)为测试材料，考察了浸润性与表面负载力之间的关系，结果表明，负载力随着CA值的升高而增大，当CA值为155.4°时，铜箔表面的负载力可达到自身重量的15.7倍[14]。Lu等利用“谷物圈效应”(cheerios effect)，将超疏水六边形船进行自组装(self-assembly)，六边形船的宽度越小，新船的负载力越大[15]。以水黾足为模板开发的高负载仿生水上设备，在水产养殖与管理方面拥有广泛的用途。

6 结语

现代科学技术日新月异，必将深刻地影响世界农业的发展进程。特殊浸润性属于基础科学的重要研究范畴，已成为表面科学和材料科学的热门领域之一[16]。仿生技术与纳米技术、农业技术、生物技术、育种技术、种植技术、管理技术等相互交叉和融合，共同为全球的学术进步、农业产业升级注入强劲活力。