德国波恩大学的威廉·巴特洛特是“荷叶效应”的发现者和开发者，他有一个关于自清洁曼哈顿的愿景：一场小雨就能将摩天大楼的窗户和墙壁冲刷得像一尘不染的荷花一样干净。在其他地方，他看到帐篷和天篷使用新型纺织品，这些纺织品同样能保持一尘不染，无需人工清洁。他并不是唯一一个将目光投向未来的人，未来世界将充满几乎或根本不需要清洗的物品：在日本，技术人员正在为浴室和医院开发自除臭和消毒表面。麻省理工学院的迈克尔·鲁布纳和罗伯特·科恩设想了类似的技术，用于保持浴室镜子不起雾，并控制微流体“芯片实验室”（其中流体在微观通道中移动）。已经出现在我们身边的是衬衫、女衬衫、裙子和裤子，它们可以轻松摆脱番茄酱、芥末酱、红酒和咖啡的污渍。一场自清洁表面革命正在进行中。
自清洁材料的故事始于自然界，神圣的荷花（Nelumbo nucifera）是一种光彩夺目的优雅水生多年生植物，在印度、缅甸、中国和日本的宗教和文化中发挥了巨大作用。荷花因其非凡的纯洁性而受到尊崇。它生长在泥水中，但其叶子在伸出水面后，高出水面数米，而且似乎永不脏污。荷叶上的水滴闪耀着超凡脱俗的光芒，雨水比任何其他植物都更容易将污垢从荷叶上冲走。
正是最后这一特性引起了巴特洛特的注意。在 20 世纪 70 年代，他对扫描电子显微镜的可能性感到兴奋，这种显微镜于 1965 年开始商业化，并提供了低至纳米领域的生动图像。在如此大的放大倍率下，污垢颗粒会破坏图像，因此样品必须清洗干净。但巴特洛特注意到，有些植物似乎永远不需要清洗，而其中最出色的就是荷花。
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巴特洛特意识到，这种效应是由叶片表面的两个特征共同造成的：其蜡质和覆盖其表面的微观凸起（尺寸为几微米）。他从基础物理学中了解到，仅蜡质本身就应该使叶片具有疏水性，或憎水性。在这种材料上，水滴会高高隆起，以最大限度地减少它们与材料的接触面积。在更亲水或喜水的物质上，水会扩散开来，以最大限度地扩大接触面积。对于亲水表面，接触角（液滴表面与材料相遇的角度）小于 30 度；疏水表面的接触角大于 90 度。
此外，他还了解到，无数的凸起使情况更进一步，并使荷叶表面具有超疏水性——接触角超过 150 度，水在其上形成近乎球形的水滴，表面接触面积非常小，像滚珠轴承一样容易滚动。水像人躺在钉床上一样位于凸起的顶部。凸起周围空间中水和叶片表面之间截留的空气增加了接触角，这种效应由卡西-巴克斯特方程描述，该方程以 A.B.D. 卡西和 S. 巴克斯特的名字命名，他们于 20 世纪 40 年代首次开发了该方程。
巴特洛特看到，污垢也同样只接触到荷叶凸起的顶峰。雨滴很容易润湿污垢并将其从叶片上冲走。微观凸起增强清洁度的这一发现非常矛盾。我在母亲的围裙上学到“犄角旮旯藏污纳垢”——这体现了传统的民间智慧，即如果你想保持物品清洁，就要保持光滑。但对荷花的思考表明，这句格言并非完全正确。
巴特洛特首先是一位植物学家，最初并没有看到他对微小凸起如何保持荷叶洁净的观察中所蕴含的商业可能性。然而，在 20 世纪 80 年代，他意识到，如果可以合成粗糙的蜡质表面，那么人工荷叶效应可能会有许多应用。后来，他为构建具有微观凸起区域以使其具有自清洁功能的表面这一想法申请了专利，并将荷叶效应注册为商标。
通过使用荷叶效应在物体上制造超疏水表面并非易事——疏水材料的本质是排斥，但这种排斥一切的物质必须使其粘附到物体本身上。尽管如此，到 20 世纪 90 年代初，巴特洛特已经创造了“蜂蜜勺”：一种勺子，其自制微观粗糙硅酮表面使蜂蜜能够滚落，不留任何残留物。这款产品最终使一些大型化学公司相信该技术是可行的，而它们的研究实力很快就找到了更多利用这种效应的方法。迄今为止，领先的应用是德国跨国公司 Sto AG 于 1999 年推出的 StoLotusan 外墙涂料，并取得了巨大的成功。“荷叶效应”现在在德国已是家喻户晓的名字；去年 10 月，《经济周刊》杂志将其评为近年来最重要的 50 项德国发明之一。
不再有餐厅灾难
说“自清洁……”，许多人会在后面加上“衣服”这个词。我们不会经常清洁房屋的外部，但洗衣服却总是伴随着我们。在试探性地开始之后，自清洁织物正在各地涌现。这一切始于纳米护理。
纳米护理是一种应用于织物的整理剂，由发明家和企业家大卫·索恩开发，现在由他的公司纳米纺织公司生产。想想桃子上的绒毛；将桃子放在水龙头下，您就会看到纳米护理的效果。纳米护理的“绒毛”由微小的晶须制成，并附着在棉线线上。晶须非常小——不到荷叶凸起高度的千分之一——相比之下，棉线线就像巨大的树干。
纳米纺织公司的竞争对手是瑞士公司 Schoeller Textil AG，该公司称其技术为纳米球体。该系统在服装纤维上具有二氧化硅或聚合物的纳米颗粒，这些颗粒提供了类似荷叶的凹凸不平的粗糙度。
由于已经提出了许多未经证实的说法来支持纳米技术产品，标准机构开始为基于这些创新的自清洁服装制定严格的测试。2005 年 10 月，为全球贸易和工业提供测试和认证的德国霍恩斯坦研究所宣布，纳米球体纺织品是首批通过全方位测试的此类织物，包括检查防水性和织物在普通洗涤周期和其他磨损后保持其性能的能力的测试。在我自己的一次测试中，纳米球体样品表现出了令人印象深刻的摆脱油性番茄酱、咖啡和红酒污渍的能力——这些都是最常见的罪魁祸首。
易清洁服装正变得越来越普及，但天篷、遮阳篷和船帆的买家预计将构成荷叶效应整理剂的最大市场（就支出金额而言）。没有人真正想清洁这些大型外部结构。
超润湿性
对荷叶效应的探索始于试图了解一类表面（蜡质表面，具有微观甚至纳米级结构）的自清洁能力。这项研究现在已经扩展到一门全新的润湿性、自清洁和消毒科学。研究人员意识到，可能有很多方法可以制造超疏水表面，而超疏水性的反面——超亲水性——也可能很有趣。超亲水性的主要参与者是矿物二氧化钛或钛白粉。
钛白粉的明星之路始于四十多年前，其特性与润湿性无关。1967 年，当时在东京大学的研究生藤岛昭发现，当暴露于紫外线时，钛白粉可以将水分解为氢气和氧气。光驱动的水分解或光解长期以来一直被认为是圣杯，因为如果能够有效地实现，它就可以廉价地产生氢气，从而使这种气体成为化石燃料的可行、无碳替代品。藤岛和其他研究人员积极追求这一想法，但最终他们意识到，实现商业产量是非常遥远的前景。
研究确实表明，薄膜钛白粉（纳米到微米厚度范围内）比大颗粒钛白粉工作效率更高。并且，在 1990 年，在藤岛与东京大学的桥本和仁和卫生设备制造商 TOTO 的渡边敏弥合作后，他和他的同事发现，紫外线激活的纳米级钛白粉薄膜具有光催化效应，可将有机化合物（包括细菌细胞壁中的有机化合物）分解为二氧化碳和水。
钛白粉具有光催化性，因为它是一种半导体，这意味着需要适量的能量才能将电子从矿物质所谓的充满能级的价带提升到所谓的带隙（由禁带能级组成）中，进入空的“导带”，在那里电子可以流动并携带电流。在钛白粉的情况下，波长约为 388 纳米的紫外线光子可以做到这一点，并且在此过程中，它会产生两个可移动电荷：它提升到导带的电子以及价带中留下的空穴，空穴的行为很像带正电的粒子。当这两个电荷处于游离状态时，它们可以与钛白粉表面的水和氧气相互作用，产生超氧化物自由基阴离子 (O2–) 和氢氧自由基 (OH)——这些都是高度活泼的化学物质，然后可以将有机化合物转化为二氧化碳和水。
在 20 世纪 90 年代中期，这三位日本研究人员对钛白粉做出了另一项关键发现，当时他们从钛白粉颗粒的水悬浮液中制备了薄膜，并在 500 摄氏度下对其进行了退火处理。科学家们将所得的透明涂层暴露于紫外线后，它具有对油和水都具有完全润湿性（接触角为零度）的非凡特性。紫外线从钛白粉表面去除了一些氧原子，导致羟基吸附的纳米级区域拼凑而成，从而产生了超亲水性。不在这些区域中的区域负责对油的巨大亲和力。这种效应在紫外线照射后持续了几天，但钛白粉在黑暗中保存的时间越长，就越慢地恢复到原始状态。
尽管钛白粉的超亲水性与荷叶的拒水性截然相反，但事实证明，它也有利于自清洁：水倾向于在整个表面扩散，形成一层可以带走污垢的薄膜。该表面还可以防止起雾，因为冷凝水会扩散开来，而不是变成构成雾的数千个微小液滴。钛白粉的光催化作用通过分解有机物和杀死细菌，为涂层物品的自清洁能力增加了除臭和消毒功能。
钛白粉涂层行业目前正在蓬勃发展。例如，TOTO 生产一系列光催化自清洁产品，例如室外瓷砖，并在全球范围内许可该技术。
由于钛白粉纳米涂层是透明的，因此处理过的窗玻璃是显而易见的发展方向。2001 年，英国最大的玻璃制造商皮尔金顿开发的 Activ Glass 成为首个上市的产品。通常，玻璃是在约 1,600 摄氏度的熔融锡床上形成的。为了制造 Activ Glass，在随后的冷却阶段将四氯化钛蒸气通过玻璃，沉积一层厚度小于 20 纳米的钛白粉层。Activ Glass 正迅速成为英国温室屋顶和车辆侧视镜的首选玻璃。
不幸的是，普通窗玻璃会阻挡驱动钛白粉光催化活性的紫外线波长，因此钛白粉纳米层在室内不如在室外有用。解决方案是用其他物质“掺杂”钛白粉，就像硅和其他半导体被掺杂用于电子产品一样。掺杂可以减小材料的带隙，这意味着波长稍长的室内照明可以激活光催化。1985 年，日本北海道大学的佐藤信理偶然发现了用氮掺杂钛白粉的好处。银也可以用于掺杂钛白粉。然而，直到最近几年，这些方法才转化为商业工艺。
掺杂钛白粉的抗菌和除臭特性预计将在厨房和浴室中得到广泛应用。钛白粉也正在用于自清洁纺织品，并具有去除异味的优点。已经设计了各种技术将其附着到织物上，包括通过直接化学键。
对立面的融合
受荷叶启发的材料和基于钛白粉的薄膜可以被视为在我们的日常世界中很少发现的对立极端，正如英国诗人菲利普·拉金所说，“没有什么东西是/像新的一样制造或洗得非常干净”。长期以来，技术和材料完全不同，对超疏水效应和光催化超亲水性的研究完全是分开的。最近，发生了一次引人注目的融合，研究人员致力于结合这两种效应，并使用非常相似的材料同时产生这两种效应。研究人员甚至正在探索使相同结构从超疏水性变为超亲水性，反之亦然的方法。
融合的早期迹象出现在 2000 年，由钛白粉先驱藤岛、渡边和桥本提出。他们希望使用钛白粉来延长荷叶效应表面的寿命。乍一看，这种方法注定要失败：人们会期望钛白粉的光催化活性会攻击荷叶表面的疏水性蜡质涂层并破坏这种效应。事实上，这种攻击确实会发生在浓度较高的钛白粉上。但该小组发现，仅添加少量钛白粉就可以显着延长荷叶效应的活性，而不会大大改变强排斥所需的较大接触角。
2003 年，鲁布纳和科恩在麻省理工学院的实验室发现了构造上的微小变化如何决定是产生超疏水表面还是超亲水表面。鲁布纳回忆说，那一年在中国访问期间，他“对会议上提到的一些超疏水结构感到兴奋”。回国后，他指示他的一些小组成员尝试制造此类结构。他的实验室开发了一种逐层技术，用于从一类称为聚电解质的化合物中制造薄膜。普通电解质是在水中溶解时分解成带正电和带负电离子的物质；常见的盐或硫酸就是例子。聚电解质是有机聚合物，塑料材料，与大多数聚合物不同，它们带有电荷，可以是正电荷也可以是负电荷。鲁布纳和科恩堆叠了带正电的聚（烯丙胺盐酸盐）和带负电的二氧化硅颗粒的交替层。（在早期的工作中，他们使用了带有二氧化硅颗粒的涂层来模仿荷叶的粗糙疏水表面。）
在这些多层膜上，他们添加了最后一层硅酮（一种疏水材料），但在过程中，他们注意到了一些有趣的事情：在他们应用硅酮之前，层状蛋糕实际上是超亲水的。在鲁布纳和科恩的实验中，二氧化硅层创造了一个巨大的纳米孔迷宫，形成了一个海绵，可以立即吸收任何表面水，这种现象称为纳米吸湿。他们开发的二氧化硅-聚合物多层膜即使在蒸汽腾腾的水面上也不会起雾。如果孔隙饱和，水就会开始从边缘流出。当潮湿条件消退时，纳米吸湿芯中的水会缓慢蒸发掉。
由于玻璃本身主要由二氧化硅组成，因此多层膜非常适合应用于玻璃。超亲水涂层不仅透明且防雾，而且还具有抗反射性。鲁布纳的团队正在与工业合作伙伴合作，以将这项发现商业化。这项工作的应用包括永不起雾的浴室镜子和寒冷、潮湿的冬季早晨永远不需要鼓风机的汽车挡风玻璃。与钛白粉不同，鲁布纳的表面在光照或黑暗中都同样有效。
聪明的甲虫
在科学家将荷叶效应和超润湿性结合在一起用于技术应用的数百万年前，南部非洲纳米布沙漠中的一种小型甲虫正忙于将这两种效应应用于另一个目的：收集水以求生存。
纳米布沙漠极其不宜居。白天温度可达 50 摄氏度（约 120 华氏度），而且很少下雨。几乎唯一的湿气来源是浓雾，通常由强劲的微风驱动。这种甲虫，Stenocara sp.，已经开发出一种收集雾中水的方法：它蹲下，头朝下，背朝上，面向雾蒙蒙的风。水在其背上凝结，然后滴入其口中。Stenocara 甲虫技术背后的科学原理启发了干旱地区集水技术的想法。
正如经常发生的那样，甲虫的机制是由一位寻找其他东西的研究人员发现的。2001 年，当时在牛津大学的动物学家安德鲁·R·帕克偶然看到一张照片，照片中是甲虫在纳米布沙漠中吃蝗虫。蝗虫是被该地区强风吹到那里的，一旦落地，就会因酷热而死亡。然而，饱餐这意外之财的甲虫显然很舒适。帕克猜测它们一定具有精密的散热反射表面。
事实上，Stenocara 甲虫确实可以反射热量，但当帕克检查它们的背部时，他立即怀疑荷叶效应的某种适应性正在它们早晨的集水过程中发挥作用。大多数 Stenocara 甲虫的背部都是凹凸不平、蜡质、超疏水表面。然而，凸起的顶部没有蜡质，并且是亲水的。这些亲水点从雾中捕获水，形成水滴，这些水滴迅速长大到足以让重力和周围的超疏水区域将其分离。在用玻璃载玻片进行的实验室实验中，帕克发现这种区域排列方式的效率大约是光滑、均匀表面的两倍，无论它是亲水还是疏水的。
帕克已为模仿甲虫过程的设计申请了专利，英国国防承包商 QinetiQ 正在开发该设计，用于干旱地区收集雾气。其他人也在尝试模仿 Stenocara。2006 年，鲁布纳和科恩的团队在超疏水多层膜上创建了二氧化硅的超亲水点。这比甲虫更胜一筹，甲虫的点仅仅是亲水的。
正如人工 Stenocara 表面所例证的那样，超润湿性新科学使得在微观和纳米尺度上控制液体流动成为可能，用于远远超出保持表面清洁的应用。鲁布纳说：“一旦你意识到纹理化表面可以是超疏水性的，也可以是超亲水性的，这取决于顶部的表面化学性质，各种可能性就会打开。”特别有用的是可切换表面——其润湿性可以在精确位置反转的表面。
这种可调谐性可以通过多种方式实现：紫外线、电力、温度、溶剂和酸度。2006 年，韩国浦项科技大学的崔基元领导的一个团队通过在二氧化硅-聚电解质多层膜的硅烷化（超疏水性）表面上添加一种基于偶氮苯分子的化合物，实现了完全可切换性。新表面也是超疏水的，但在紫外线下，偶氮苯化合物会改变构型并将其转化为超亲水性。
可见光会逆转这种变化。这种控制可能在微流体领域具有重要应用，例如现在用于药物筛选和其他生化测试的微阵列[参见查尔斯·Q·崔的“微型芯片上的大型实验室”；《大众科学》，2007 年 10 月]。例如，可以通过将亲水性通路的部分区域切换为疏水性或亲水性来关闭或打开亲水性通路。
水下保持干燥
21 世纪令人惊喜的事情之一是，荷花的熠熠生辉正在渗透到以前未知的角落和缝隙，以及超出自清洁应用之外的领域。
巴特洛特在荷叶上看到一滴水的潜力，现在看到了几乎无限的前景。但他警告那些想要从自然界转化为技术的人，他们可能会遇到极大的怀疑，就像他曾经经历的那样。“相信你自己的眼睛，而不是教科书，如果你的观察结果得到反复证实，就发表它，”他建议道。“但深吸一口气——要预料到你的手稿会被拒绝。”
毫不奇怪，他是一位生物多样性的热情倡导者，他指出许多其他植物和动物可能具有有用的特性——可能包括科学界未知且濒临灭绝的物种。他目前的研究涉及水下超疏水性。在研究了水莴苣 Pistia 和浮萍 Salvinia 等植物如何在叶片表面捕获空气后，巴特洛特创造了可以在水下保持干燥四天的织物。不沾水的泳衣指日可待。最大的收获将是减少船舶船体的阻力。荷花不沾染污垢，但它正在收获一系列令人印象深刻的专利。
注：本文最初以“自清洁材料”为标题发表。
