德國波恩大學的威廉·巴特洛特是“荷葉效應”的發現者和開發者，他有一個關於自清潔曼哈頓的願景：一場小雨就能將摩天大樓的窗戶和牆壁沖刷得像一塵不染的荷花一樣乾淨。在其他地方，他看到帳篷和天篷使用新型紡織品，這些紡織品同樣能保持一塵不染，無需人工清潔。他並不是唯一一個將目光投向未來的人，未來世界將充滿幾乎或根本不需要清洗的物品：在日本，技術人員正在為浴室和醫院開發自除臭和消毒表面。麻省理工學院的邁克爾·魯布納和羅伯特·科恩設想了類似的技術，用於保持浴室鏡子不起霧，並控制微流體“晶片實驗室”（其中流體在微觀通道中移動）。已經出現在我們身邊的是襯衫、女襯衫、裙子和褲子，它們可以輕鬆擺脫番茄醬、芥末醬、紅酒和咖啡的汙漬。一場自清潔表面革命正在進行中。
自清潔材料的故事始於自然界，神聖的荷花（Nelumbo nucifera）是一種光彩奪目的優雅水生多年生植物，在印度、緬甸、中國和日本的宗教和文化中發揮了巨大作用。荷花因其非凡的純潔性而受到尊崇。它生長在泥水中，但其葉子在伸出水面後，高出水面數米，而且似乎永不髒汙。荷葉上的水滴閃耀著超凡脫俗的光芒，雨水比任何其他植物都更容易將汙垢從荷葉上衝走。
正是最後這一特性引起了巴特洛特的注意。在 20 世紀 70 年代，他對掃描電子顯微鏡的可能性感到興奮，這種顯微鏡於 1965 年開始商業化，並提供了低至奈米領域的生動影像。在如此大的放大倍率下，汙垢顆粒會破壞影像，因此樣品必須清洗乾淨。但巴特洛特注意到，有些植物似乎永遠不需要清洗，而其中最出色的就是荷花。
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巴特洛特意識到，這種效應是由葉片表面的兩個特徵共同造成的：其蠟質和覆蓋其表面的微觀凸起（尺寸為幾微米）。他從基礎物理學中瞭解到，僅蠟質本身就應該使葉片具有疏水性，或憎水性。在這種材料上，水滴會高高隆起，以最大限度地減少它們與材料的接觸面積。在更親水或喜水的物質上，水會擴散開來，以最大限度地擴大接觸面積。對於親水錶面，接觸角（液滴表面與材料相遇的角度）小於 30 度；疏水錶面的接觸角大於 90 度。
此外，他還了解到，無數的凸起使情況更進一步，並使荷葉表面具有超疏水性——接觸角超過 150 度，水在其上形成近乎球形的水滴，表面接觸面積非常小，像滾珠軸承一樣容易滾動。水像人躺在釘床上一樣位於凸起的頂部。凸起周圍空間中水和葉片表面之間截留的空氣增加了接觸角，這種效應由卡西-巴克斯特方程描述，該方程以 A.B.D. 卡西和 S. 巴克斯特的名字命名，他們於 20 世紀 40 年代首次開發了該方程。
巴特洛特看到，汙垢也同樣只接觸到荷葉凸起的頂峰。雨滴很容易潤溼汙垢並將其從葉片上衝走。微觀凸起增強清潔度的這一發現非常矛盾。我在母親的圍裙上學到“犄角旮旯藏汙納垢”——這體現了傳統的民間智慧，即如果你想保持物品清潔，就要保持光滑。但對荷花的思考表明，這句格言並非完全正確。
巴特洛特首先是一位植物學家，最初並沒有看到他對微小凸起如何保持荷葉潔淨的觀察中所蘊含的商業可能性。然而，在 20 世紀 80 年代，他意識到，如果可以合成粗糙的蠟質表面，那麼人工荷葉效應可能會有許多應用。後來，他為構建具有微觀凸起區域以使其具有自清潔功能的表面這一想法申請了專利，並將荷葉效應註冊為商標。
透過使用荷葉效應在物體上製造超疏水錶面並非易事——疏水材料的本質是排斥，但這種排斥一切的物質必須使其粘附到物體本身上。儘管如此，到 20 世紀 90 年代初，巴特洛特已經創造了“蜂蜜勺”：一種勺子，其自制微觀粗糙矽酮表面使蜂蜜能夠滾落，不留任何殘留物。這款產品最終使一些大型化學公司相信該技術是可行的，而它們的研究實力很快就找到了更多利用這種效應的方法。迄今為止，領先的應用是德國跨國公司 Sto AG 於 1999 年推出的 StoLotusan 外牆塗料，並取得了巨大的成功。“荷葉效應”現在在德國已是家喻戶曉的名字；去年 10 月，《經濟週刊》雜誌將其評為近年來最重要的 50 項德國發明之一。
不再有餐廳災難
說“自清潔……”，許多人會在後面加上“衣服”這個詞。我們不會經常清潔房屋的外部，但洗衣服卻總是伴隨著我們。在試探性地開始之後，自清潔織物正在各地湧現。這一切始於奈米護理。
奈米護理是一種應用於織物的整理劑，由發明家和企業家大衛·索恩開發，現在由他的公司奈米紡織公司生產。想想桃子上的絨毛；將桃子放在水龍頭下，您就會看到奈米護理的效果。奈米護理的“絨毛”由微小的晶須製成，並附著在棉線線上。晶須非常小——不到荷葉凸起高度的千分之一——相比之下，棉線線就像巨大的樹幹。
奈米紡織公司的競爭對手是瑞士公司 Schoeller Textil AG，該公司稱其技術為奈米球體。該系統在服裝纖維上具有二氧化矽或聚合物的奈米顆粒，這些顆粒提供了類似荷葉的凹凸不平的粗糙度。
由於已經提出了許多未經證實的說法來支援奈米技術產品，標準機構開始為基於這些創新的自清潔服裝制定嚴格的測試。2005 年 10 月，為全球貿易和工業提供測試和認證的德國霍恩斯坦研究所宣佈，奈米球體紡織品是首批透過全方位測試的此類織物，包括檢查防水性和織物在普通洗滌週期和其他磨損後保持其效能的能力的測試。在我自己的一次測試中，奈米球體樣品表現出了令人印象深刻的擺脫油性番茄醬、咖啡和紅酒汙漬的能力——這些都是最常見的罪魁禍首。
易清潔服裝正變得越來越普及，但天篷、遮陽篷和船帆的買家預計將構成荷葉效應整理劑的最大市場（就支出金額而言）。沒有人真正想清潔這些大型外部結構。
超潤溼性
對荷葉效應的探索始於試圖瞭解一類表面（蠟質表面，具有微觀甚至奈米級結構）的自清潔能力。這項研究現在已經擴充套件到一門全新的潤溼性、自清潔和消毒科學。研究人員意識到，可能有很多方法可以製造超疏水錶面，而超疏水性的反面——超親水性——也可能很有趣。超親水性的主要參與者是礦物二氧化鈦或鈦白粉。
鈦白粉的明星之路始於四十多年前，其特性與潤溼性無關。1967 年，當時在東京大學的研究生藤島昭發現，當暴露於紫外線時，鈦白粉可以將水分解為氫氣和氧氣。光碟機動的水分解或光解長期以來一直被認為是聖盃，因為如果能夠有效地實現，它就可以廉價地產生氫氣，從而使這種氣體成為化石燃料的可行、無碳替代品。藤島和其他研究人員積極追求這一想法，但最終他們意識到，實現商業產量是非常遙遠的前景。
研究確實表明，薄膜鈦白粉（奈米到微米厚度範圍內）比大顆粒鈦白粉工作效率更高。並且，在 1990 年，在藤島與東京大學的橋本和仁和衛生裝置製造商 TOTO 的渡邊敏彌合作後，他和他的同事發現，紫外線啟用的奈米級鈦白粉薄膜具有光催化效應，可將有機化合物（包括細菌細胞壁中的有機化合物）分解為二氧化碳和水。
鈦白粉具有光催化性，因為它是一種半導體，這意味著需要適量的能量才能將電子從礦物質所謂的充滿能級的價帶提升到所謂的帶隙（由禁帶能級組成）中，進入空的“導帶”，在那裡電子可以流動並攜帶電流。在鈦白粉的情況下，波長約為 388 奈米的紫外線光子可以做到這一點，並且在此過程中，它會產生兩個可移動電荷：它提升到導帶的電子以及價帶中留下的空穴，空穴的行為很像帶正電的粒子。當這兩個電荷處於遊離狀態時，它們可以與鈦白粉表面的水和氧氣相互作用，產生超氧化物自由基陰離子 (O2–) 和氫氧自由基 (OH)——這些都是高度活潑的化學物質，然後可以將有機化合物轉化為二氧化碳和水。
在 20 世紀 90 年代中期，這三位日本研究人員對鈦白粉做出了另一項關鍵發現，當時他們從鈦白粉顆粒的水懸浮液中製備了薄膜，並在 500 攝氏度下對其進行了退火處理。科學家們將所得的透明塗層暴露於紫外線後，它具有對油和水都具有完全潤溼性（接觸角為零度）的非凡特性。紫外線從鈦白粉表面去除了一些氧原子，導致羥基吸附的奈米級區域拼湊而成，從而產生了超親水性。不在這些區域中的區域負責對油的巨大親和力。這種效應在紫外線照射後持續了幾天，但鈦白粉在黑暗中儲存的時間越長，就越慢地恢復到原始狀態。
儘管鈦白粉的超親水性與荷葉的拒水性截然相反，但事實證明，它也有利於自清潔：水傾向於在整個表面擴散，形成一層可以帶走汙垢的薄膜。該表面還可以防止起霧，因為冷凝水會擴散開來，而不是變成構成霧的數千個微小液滴。鈦白粉的光催化作用透過分解有機物和殺死細菌，為塗層物品的自清潔能力增加了除臭和消毒功能。
鈦白粉塗層行業目前正在蓬勃發展。例如，TOTO 生產一系列光催化自清潔產品，例如室外瓷磚，並在全球範圍內許可該技術。
由於鈦白粉奈米塗層是透明的，因此處理過的窗玻璃是顯而易見的發展方向。2001 年，英國最大的玻璃製造商皮爾金頓開發的 Activ Glass 成為首個上市的產品。通常，玻璃是在約 1,600 攝氏度的熔融錫床上形成的。為了製造 Activ Glass，在隨後的冷卻階段將四氯化鈦蒸氣透過玻璃，沉積一層厚度小於 20 奈米的鈦白粉層。Activ Glass 正迅速成為英國溫室屋頂和車輛側視鏡的首選玻璃。
不幸的是，普通窗玻璃會阻擋驅動鈦白粉光催化活性的紫外線波長，因此鈦白粉奈米層在室內不如在室外有用。解決方案是用其他物質“摻雜”鈦白粉，就像矽和其他半導體被摻雜用於電子產品一樣。摻雜可以減小材料的帶隙，這意味著波長稍長的室內照明可以啟用光催化。1985 年，日本北海道大學的佐藤信理偶然發現了用氮摻雜鈦白粉的好處。銀也可以用於摻雜鈦白粉。然而，直到最近幾年，這些方法才轉化為商業工藝。
摻雜鈦白粉的抗菌和除臭特性預計將在廚房和浴室中得到廣泛應用。鈦白粉也正在用於自清潔紡織品，並具有去除異味的優點。已經設計了各種技術將其附著到織物上，包括透過直接化學鍵。
對立面的融合
受荷葉啟發的材料和基於鈦白粉的薄膜可以被視為在我們的日常世界中很少發現的對立極端，正如英國詩人菲利普·拉金所說，“沒有什麼東西是/像新的一樣製造或洗得非常乾淨”。長期以來，技術和材料完全不同，對超疏水效應和光催化超親水性的研究完全是分開的。最近，發生了一次引人注目的融合，研究人員致力於結合這兩種效應，並使用非常相似的材料同時產生這兩種效應。研究人員甚至正在探索使相同結構從超疏水性變為超親水性，反之亦然的方法。
融合的早期跡象出現在 2000 年，由鈦白粉先驅藤島、渡邊和橋本提出。他們希望使用鈦白粉來延長荷葉效應表面的壽命。乍一看，這種方法註定要失敗：人們會期望鈦白粉的光催化活性會攻擊荷葉表面的疏水性蠟質塗層並破壞這種效應。事實上，這種攻擊確實會發生在濃度較高的鈦白粉上。但該小組發現，僅新增少量鈦白粉就可以顯著延長荷葉效應的活性，而不會大大改變強排斥所需的較大接觸角。
2003 年，魯布納和科恩在麻省理工學院的實驗室發現了構造上的微小變化如何決定是產生超疏水錶面還是超親水錶面。魯布納回憶說，那一年在中國訪問期間，他“對會議上提到的一些超疏水結構感到興奮”。回國後，他指示他的一些小組成員嘗試製造此類結構。他的實驗室開發了一種逐層技術，用於從一類稱為聚電解質的化合物中製造薄膜。普通電解質是在水中溶解時分解成帶正電和帶負電離子的物質；常見的鹽或硫酸就是例子。聚電解質是有機聚合物，塑膠材料，與大多數聚合物不同，它們帶有電荷，可以是正電荷也可以是負電荷。魯布納和科恩堆疊了帶正電的聚（烯丙胺鹽酸鹽）和帶負電的二氧化矽顆粒的交替層。（在早期的工作中，他們使用了帶有二氧化矽顆粒的塗層來模仿荷葉的粗糙疏水錶面。）
在這些多層膜上，他們添加了最後一層矽酮（一種疏水材料），但在過程中，他們注意到了一些有趣的事情：在他們應用矽酮之前，層狀蛋糕實際上是超親水的。在魯布納和科恩的實驗中，二氧化矽層創造了一個巨大的奈米孔迷宮，形成了一個海綿，可以立即吸收任何表面水，這種現象稱為奈米吸溼。他們開發的二氧化矽-聚合物多層膜即使在蒸汽騰騰的水面上也不會起霧。如果孔隙飽和，水就會開始從邊緣流出。當潮溼條件消退時，奈米吸溼芯中的水會緩慢蒸發掉。
由於玻璃本身主要由二氧化矽組成，因此多層膜非常適合應用於玻璃。超親水塗層不僅透明且防霧，而且還具有抗反射性。魯布納的團隊正在與工業合作伙伴合作，以將這項發現商業化。這項工作的應用包括永不起霧的浴室鏡子和寒冷、潮溼的冬季早晨永遠不需要鼓風機的汽車擋風玻璃。與鈦白粉不同，魯布納的表面在光照或黑暗中都同樣有效。
聰明的甲蟲
在科學家將荷葉效應和超潤溼性結合在一起用於技術應用的數百萬年前，南部非洲奈米布沙漠中的一種小型甲蟲正忙於將這兩種效應應用於另一個目的：收集水以求生存。
奈米布沙漠極其不宜居。白天溫度可達 50 攝氏度（約 120 華氏度），而且很少下雨。幾乎唯一的溼氣來源是濃霧，通常由強勁的微風驅動。這種甲蟲，Stenocara sp.，已經開發出一種收集霧中水的方法：它蹲下，頭朝下，背朝上，面向霧濛濛的風。水在其背上凝結，然後滴入其口中。Stenocara 甲蟲技術背後的科學原理啟發了乾旱地區集水技術的想法。
正如經常發生的那樣，甲蟲的機制是由一位尋找其他東西的研究人員發現的。2001 年，當時在牛津大學的動物學家安德魯·R·帕克偶然看到一張照片，照片中是甲蟲在奈米布沙漠中吃蝗蟲。蝗蟲是被該地區強風吹到那裡的，一旦落地，就會因酷熱而死亡。然而，飽餐這意外之財的甲蟲顯然很舒適。帕克猜測它們一定具有精密的散熱反射表面。
事實上，Stenocara 甲蟲確實可以反射熱量，但當帕克檢查它們的背部時，他立即懷疑荷葉效應的某種適應性正在它們早晨的集水過程中發揮作用。大多數 Stenocara 甲蟲的背部都是凹凸不平、蠟質、超疏水錶面。然而，凸起的頂部沒有蠟質，並且是親水的。這些親水點從霧中捕獲水，形成水滴，這些水滴迅速長大到足以讓重力和周圍的超疏水區域將其分離。在用玻璃載玻片進行的實驗室實驗中，帕克發現這種區域排列方式的效率大約是光滑、均勻表面的兩倍，無論它是親水還是疏水的。
帕克已為模仿甲蟲過程的設計申請了專利，英國國防承包商 QinetiQ 正在開發該設計，用於乾旱地區收集霧氣。其他人也在嘗試模仿 Stenocara。2006 年，魯布納和科恩的團隊在超疏水多層膜上建立了二氧化矽的超親水點。這比甲蟲更勝一籌，甲蟲的點僅僅是親水的。
正如人工 Stenocara 表面所例證的那樣，超潤溼性新科學使得在微觀和奈米尺度上控制液體流動成為可能，用於遠遠超出保持表面清潔的應用。魯布納說：“一旦你意識到紋理化表面可以是超疏水性的，也可以是超親水性的，這取決於頂部的表面化學性質，各種可能性就會開啟。”特別有用的是可切換表面——其潤溼性可以在精確位置反轉的表面。
這種可調諧性可以透過多種方式實現：紫外線、電力、溫度、溶劑和酸度。2006 年，韓國浦項科技大學的崔基元領導的一個團隊透過在二氧化矽-聚電解質多層膜的矽烷化（超疏水性）表面上新增一種基於偶氮苯分子的化合物，實現了完全可切換性。新表面也是超疏水的，但在紫外線下，偶氮苯化合物會改變構型並將其轉化為超親水性。
可見光會逆轉這種變化。這種控制可能在微流體領域具有重要應用，例如現在用於藥物篩選和其他生化測試的微陣列[參見查爾斯·Q·崔的“微型晶片上的大型實驗室”；《大眾科學》，2007 年 10 月]。例如，可以透過將親水性通路的部分割槽域切換為疏水性或親水性來關閉或開啟親水性通路。
水下保持乾燥
21 世紀令人驚喜的事情之一是，荷花的熠熠生輝正在滲透到以前未知的角落和縫隙，以及超出自清潔應用之外的領域。
巴特洛特在荷葉上看到一滴水的潛力，現在看到了幾乎無限的前景。但他警告那些想要從自然界轉化為技術的人，他們可能會遇到極大的懷疑，就像他曾經經歷的那樣。“相信你自己的眼睛，而不是教科書，如果你的觀察結果得到反覆證實，就發表它，”他建議道。“但深吸一口氣——要預料到你的手稿會被拒絕。”
毫不奇怪，他是一位生物多樣性的熱情倡導者，他指出許多其他植物和動物可能具有有用的特性——可能包括科學界未知且瀕臨滅絕的物種。他目前的研究涉及水下超疏水性。在研究了水萵苣 Pistia 和浮萍 Salvinia 等植物如何在葉片表面捕獲空氣後，巴特洛特創造了可以在水下保持乾燥四天的織物。不沾水的泳衣指日可待。最大的收穫將是減少船舶船體的阻力。荷花不沾染汙垢，但它正在收穫一系列令人印象深刻的專利。
注：本文最初以“自清潔材料”為標題發表。
