自然界中存在很多超疏水现象，其中最广为人知的就是荷叶，古人早已察觉到荷叶具备自清洁功能和超强疏水功能的神奇之处，北宋周敦颐就曾在《爱莲说》中提及“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖”。
随着近代科学的发展，科学家从宏观现象入手，用微观结构解释了荷叶“出淤泥而不染”的高洁，这份高洁得益于荷叶特殊的表面结构，表面°以上的超大接触角与3°以下的超小滚动角，使其具有自清洁功能和超强疏水功能。如果能将超疏水与自清洁功能应用到实际生产生活中，将为人们带来极大的便利性与经济效益，例如水运输、建筑表面自清洁、金属防腐，等等。
图│荷叶超疏水现象与自清洁功能示意图（图片来自网络）
络绎科学邀请到了中国地质大学（武汉）博士、香港大学博士后朱海就此话题展开了直播讨论。朱海的研究方向包括仿生超润湿性、仿生水收集材料及器件设计、催化剂的润湿性改性、界面材料在环境化学中的应用等，目前以第一作者身份发表SCI论文十余篇。
在络绎科学直播中，朱海为我们从润湿与催化的基本知识，以及其多年研究成果角度，分享了界面科学的双子星——润湿与催化。
成分与结构对润湿和催化均具有重要作用
润湿是一个经典的界面性质，我们通过接触角大小来定义表面独特的润湿性。如图所示按照接触角依次减小，润湿状态分为超疏水、疏水、亲水和超亲水四种。
图│根据接触角大小定义润湿性（来源：朱海，络绎科学整理）
对于润湿有非常重要的两点，成分与结构。成分影响表面能，决定材料是亲水还是疏水；结构调控粗糙度，改变表面张力，可以使材料的亲水性、疏水性达到极致，可以通过调控材料表面能和表面张力改变其润湿行为，构建超润湿表面。
催化是催化剂不参与反应而改变化学反应速率，且不影响化学平衡的作用。朱海主要介绍了光催化过程，发生光催化有三个必要条件。第一，是要有足够的能量，使催化剂发生电子跃迁，电子跃迁留出空穴成为催化位点；第二，是空穴与被催化受体之间的反应速度要远远大于空穴与电子之间的结合速度；第三，是催化剂与被催化物质之间要产生有效吸附（effectiveadsorption）。
图│光催化过程（来源：朱海，络绎科学整理）
对于催化，成分与结构也是非常重要的两点。成分决定材料是否有催化性；结构决定材料表面积，可以调控参加反应的位点数量进而改变催化效率。
从经典实验无法呈现到实现超疏水性光催化
朱海将两种粒径的TiO2纳米颗粒、环氧树脂和PFOS（全氟辛烷基磺酸），通过超声搅拌混合在一起，得到物质A，将A加入亚甲基蓝溶液中发现并不能将其降解。这个现象引起了他的注意，因为TiO2降解亚甲基蓝是一个非常经典的实验。
对此，朱海进行了更深入的探索，他将TiO2纳米颗粒和PFOS通过超声搅拌混合在一起后，得到的物质B也不能降解亚甲基蓝。他想到二氧化钛是一种光敏感材料，于是将A、B两种混合物质进行紫外光照射，然后进行降解实验，这时他发现A依旧无法降解亚甲基蓝，而B将这个经典的降解实验呈现了出来。于是他绘制了一个理论模型来说明问题。
图│物质A与物质B光照前后结构变化（来源：朱海，络绎科学整理）
在实验中，朱海得到的物质A、B具有超疏水性，对于亚甲基蓝水溶液，超疏水材料对其有极大的排斥作用，因此无法降解亚甲基蓝溶液。物质A，一小部分PFOS直接接枝在了TiO2颗粒表面，但大部分PFOS隔着一个树脂层接枝在二氧化钛颗粒上，直接接枝的PFOS在长时间的紫外光照射下被降解，隔着树脂层的PFOS则不能被降解，树脂层对PFOS产生保护作用。光照后树脂层接枝PFOS部分成分、形貌均不发生变化，显示稳定的疏水性，因此整个超疏水TiO2纳米粒子就具有了抗紫外功能，经过紫外光的照射依旧具有超疏水结构。而物质B是TiO2纳米颗粒外面接枝PFOS，经过长时间的紫外光照射，PFOS发生降解，接触角减小，从超疏水状态变成超亲水，此时的TiO2就可以降解亚甲基蓝了。
为进一步检验物质A的抗紫外功能，朱海又进行了小时紫外光光照实验，材料成分、形貌基本未发生变化，即使进行长达一年的白光处理，依旧具有超疏水性能。于是朱海通过实验得到了表面具有长期稳定的超疏水性和光催化性的纳米颗粒，且具有强抗紫外性，无需暗处理避光，大大拓宽了其使用范围。
然后朱海使用物质A进行涂敷，制备多个超疏水涂层，对其进行机械性能测试。发现涂敷的表面经过砂纸打磨或滑沙撞击，表面润湿性依旧保持稳定，接触角都大于°，依旧保持其超疏水性能，因此可以说它具有很好的机械性能。
朱海还将制备好的涂层放入PH不同的酸碱盐中长时间浸泡，发现其它依然保持着很大的接触角和很小的滚动角，因此可以说它拥有很好的抗化学腐蚀性。由此，朱海得到了机械、化学性能稳定的超疏水涂层，这个涂层也具有很好的催化性，可以产生非常强的自由基，是一个超疏水和光催化共存的复合涂层。利用超疏水性能和光催化性能，可以将有机污染物降解，表面的污渍小颗粒可以通过水流带走，得到一个自清洁表面。
朱海对这一工作进行了总结，“我认为有两点很重要，一是需要低表面能物质去调节材料表面能，但这些低表面能物质不能全部直接接枝到催化剂表面上，以防光照时全部被催化降解；二是在这样一个复合表面或复合涂层中，必须要有抗紫外（超）疏水性物质，不受紫外光的影响，可以源源不断的提供低表面能。这两点是实现长时间超疏水性光催化剂的关键。”
图案化润湿表面具有良好的水收集和水净化功能
朱海从仙人掌刺和沙漠甲壳虫中获得灵感，利用图案化润湿表面进行水的收集。他把蜡烛灰与PDMS混合在一起，就构成了一个超疏水基底，利用超亲水的P25TiO2纳米颗粒，在超疏水基底上构建了一组仿仙人掌刺形状的楔形图案，该仿生表面同时具有收集水与净化水的功能。
当利用此表面收集空气中含有农药的水汽时，所收集到的水中农药含量依旧很高，无法进行直接利用。由于朱海的图案化润湿表面上添加TiO2颗粒后，收集水的同时可以进行光降解，将所收集的污水进行紫外光照处理，可以发现农药含量大幅度下降，这就说明朱海的图案化润湿表面也具有净化的功能。
为进一步验证图案化润湿表面的水收集和净化功能，朱海将生命体征相同的斑马幼鱼，分别放入收集到的污水中和收集并净化后的污水中，观察小鱼的生存状况。发现在仅仅收集的污水中，鱼只活了7小时就全部死掉了；而通过收集并净化处理后的水，在72小时内，小鱼的生命体征良好，事实上结束实验后20天再观察时，鱼依旧生活得非常好。由此可见，只有经过收集和净化处理，从空气中得到的水才可以直接利用。
具有温度响应性的超润湿响应油漆
此外，朱海还介绍了其“超润湿响应油漆”研究，“它具有良好的机械稳定性、抗紫外线功能，同时具有表面降解效率可调控功能。”朱海团队通过材料成分调控，当ER：PEG：TiO2（~21nm）：TiO2（~nm）：PFOS：PNIPAM=6g：2g：6g：6g：1.2g：0.02g时，可以实现材料在温度变化下由超亲水到超疏水的循环转变。
通过透射电镜，可以看到颗粒表面有一层薄薄的聚合物膜，聚合物膜里面的PNIPAM具有温度响应性，高温时产生疏水基团，低温时产生亲水基团，所以可以整体显示温控条件下的超润湿转变。
图│超润湿响应油漆透射电镜图（来源：朱海，络绎科学整理）
为检测材材料响应的稳定性，朱海进行50次长时间的高低温循环变化，结果显示材料在超亲水、超疏水之间顺利发生可逆转变，材料的超润湿响应性相对比较稳定。
图│高低温循环变化时超润湿响应油漆接触角变化（来源：朱海，络绎科学整理）
在对材料的机械性能的测试中，朱海发现无论是进行砂纸打磨、刀片划刻还是手指压印，改变的只是其表面形貌，材料依旧可以在温度变化条件下进行超亲水、超疏水的可逆转变，反复进行50次循环后，依旧具有超润湿响应性，可见材料的机械性也是相当良好的。
从朱海此前的介绍中，可以知道TiO2是光敏感性材料，其实它也是一种光响应材料。比如TiO2接枝PFOS后，短时间紫外光照射可以将其从超疏水状态变为超亲水状态，然后对其进行暗处理，长时间避光保存之后，材料会再次回到超疏水状态。
但朱海制备的含TiO2的油漆并没有光响应性，因为它的结构就像前面的物质A一样，PFOS只有少部分直接接枝到TiO2颗粒上，大部分PFOS隔着中间聚合物膜与TiO2颗粒相接。与TiO2颗粒直接接枝的PFOS在光照条件下被催化降解，而大部分PFOS在聚合物膜的保护下不发生降解，因此少部分区域是具有光响应性的，但是对整体来说影响较小，并不占主导地位，材料整体不能在光照条件下实现超疏水状态到超亲水状态的转变。
因此，在此“超润湿响应油漆”，温度响应性是显性的，光响应性是隐性的。整体而言，“超润湿响应油漆”，具有良好的机械稳定性、抗紫外线功能，同时可以通过调节温度调控表面的润湿性，进而可以调控表面降解效率，也可以说是一种温控催化剂。
朱海对于润湿和催化总结称，“在我看来，二者非常像，就像一对孪生兄弟，因此称它们为表界面的双子星。对于润湿，成分决定材料亲水或疏水，而结构可以改变表面粗糙度，将润湿性做到极致，疏水变成超疏水，亲水变成超亲水。对于催化，成分决定是否有催化性，结构可以改变表面积，调控参加反应的位点进而改变催化效率。我认为对于润湿比较关键的是contact（接触），对于催化比较关键的是absorption（吸附），因为这两个概念极为相似，像桥梁一样将润湿与催化连接起来，让这两个概念得以‘握手’。”
对于自己的研究，朱海谦虚的表示，自己还只是科研界的新兵，还有许多十分厉害的同行值得他学习。
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