這兩天國產沖鋒衣被卡脖子的話題沖上熱搜，不知道大家在使用沖鋒衣的時候，有沒有想到沖鋒衣和荷葉之間還有一段不小的淵源呢？

大家小時候有沒有在荷塘摘一片荷葉當雨傘的經歷？當水珠在荷葉上滾來滾去時，不知你是否意識到這種水珠不沾濕荷葉的現象并不簡單。這種“荷葉效應”后來被廣泛應用到防水材料、超疏水材料、自清潔材料上面。

防水、疏水分別指什么？

為了方便討論，我們先花點時間來辨析一下概念: 防水、疏水，這雙胞胎分別是啥意思？

防水就是一個材料抵御水“入侵”的能力。一個材料 (這里具體指面料) 對水的抵抗能力用靜水壓頭等級度量。想象一塊織物被壓在一個高大的充滿水的管子下面，水開始滲透織物時管中水的高度 (mm 單位) 稱為靜水壓頭等級。通常把靜水壓頭等級大于等于 1000mm 的材料認為是防水材料。

疏水是指材料抵御被水浸濕的能力，一般可以用接觸角 theta 描述。液滴處于平衡狀態時，自“液-固”界面，經液體內部，到達“氣-液”界面的夾角叫接觸角。接觸角小于 90 度認為是親水表面，接觸角大于 90 度認為是疏水表面。

所以聰明的小伙伴是不是已經想到：小孩子才做選擇，我們防水疏水全都要！如果你想得到一個防水性非常好的材料，那么你應該使用防水的基體材料再加上疏水的涂層。

沖鋒衣的防水性從哪來？

沖鋒衣可以防水當然是因為水滴不能“進入”到沖鋒衣織物內部。然而其實所有的織物都有孔，只是由于水滴的大小大于織物的孔隙而無法穿透，一個全是洞洞的東西顯然不能遮雨 (如果有小伙伴要刨根問底，水是怎么被擋在材料外面的，最根本的原因是源自電磁力。我們都知道物質是由原子核和電子構成，電子和電子間的排斥造成了這種“抵擋”)。所以織物越密實，顯然其防水性能會更好 (但對于沖鋒衣來說，這同樣會使得透氣性變差，因此并不是越密越好)。

然而單靠織物的防水能力并不理想，生產防水織物的最常見方法是在織物上涂上一層疏水涂層。

“荷葉效應”— 疏水性

說到疏水性，就不得不提“荷葉效應”了。1997 年 W.Barthlott 和 C.Neinhuis 發表了“荷葉效應”的原始文章，可以說，這篇文章開啟了表面科學針對超疏水的研究熱潮。Barthlott 和 Neinhuis 通過研究荷葉表面的微觀結構，發現荷葉的表面并不光滑，而是有一個個小乳突的粗糙表面。這種表面是使得水珠在荷葉表面上自由滾動而不沾濕荷葉的原因。而這種現象就被稱作“荷葉效應”（順便提一句，其實在 Barthlott 和 Neinhuis 的原始文章中“荷葉效應”更準確的翻譯應該叫“圣蓮效應”，作者是取神圣的蓮花冰清玉潔不被污染的意思）。

下面我們就來解釋其中的原理。

總得來說荷葉效應是低能疏水表面加粗糙表面的結果。

低調的表面干大事

首先，我們來說明為什么疏水的表面是表面能比較低的。對公式不怎么感興趣的同學直接看下面的結論。

接觸過表面物理化學的同學應該知道 1805 年著名的楊氏方程，表達式如下:

其中，為接觸角，為表面能。

將其變換形式后得到如下方程:

這個方程指出，是否潤濕取決于液滴擴大表面所需要的能量與由于覆蓋基底材料而獲得的能量之間的大小，后者能補償前者時可以浸潤，最終使得系統的能量最小；反之，當基底材料的表面能低于液滴的表面能時一定不會使液滴鋪展。因此想得到一個疏水的表面，其表面一定是低能表面。

坑坑洼洼神助攻

第二個影響疏水性能的因素是表面粗糙度。粗糙的表面導致液滴與表面間接觸面積減少，液滴只能停留在乳突尖端上 (如圖 6)，空氣封在乳突中間，液滴被支撐起來。

要注意的是，粗糙并不是導致疏水的根本條件，Wenzel 模型 (一種經典的模型，如圖 7 所示) 認為粗糙表面的存在使得實際“固-液”接觸面積大于表觀幾何接觸面積，在幾何上增強了疏水性 (或親水性)。即粗糙度會使得疏水表面更疏水，使得親水表面更親水。

綜合上面兩條我們可以得知：第一，如果表面的能量很低，水通過吸附獲得的能量很小，則水就不會擴展即水會保持球狀。很少或沒有極性基團（例如有機固體、高聚物固體）的表面的表面能很低。這是為什么沖鋒衣的防水涂層一般會選擇聚氨酯（PU）、聚醚聚氨酯（PE）和有機硅及它們的組合的原因。

第二，在粗糙表面的情況下，空氣被包裹在表面與水滴之間形成復合表面（這種復合表面模型叫 Cassie-Baxter 模型（如圖 8），是另一種經典模型。真實世界的情況通常是 Wenzel 模型與 Cassie 模型的結合）。這種復合表面擴大了水 / 空氣界面并減少了水 / 固體界面。這種表面可以被視為是空氣和固體合成了一個表面，這個空氣和固體的復合表面的表面能比固體自己的表面能更低，從而使得液滴擴展吸附的能量更低而更不傾向于擴展或浸潤。這就是“荷葉效應”的原理，將此運用到沖鋒衣上，你就能得到一件防水服啦。

疏水表面容易被破壞

但是這種疏水表面并不穩定。比如機械磨損，或者諸如水解的化學反應會破壞這種表面，影響其性能。這在仿生材料中是一個巨大的挑戰。生物由于有生物活性可以再生這種乳突結構，然而如何制備可自愈的疏水材料是一個難點。因此這對沖鋒衣的耐久性和壽命是一個挑戰。同時，涂層可能會影響織物的撕裂強度。例如 PU 和 PE 的一個缺點就是會降低織物的強度。涂層影響了織物的滑動方式，壓力更加集中，使得織物更容易撕裂。不過有機硅不容易水解，且會增加它們所應用的織物的強度因此在高端產品中應用較多 (當然其成本較高)。

對于一件衣服來說，其質量好壞顯然不能僅以防水性來判斷（如果是這樣的話大家干脆穿雨衣出門就行了）。對于沖鋒衣來說，需要兼顧防水性、透氣性、應對復雜天氣條件的耐候性、保暖性能、防風性能、快干性能等一系列功能性，這些功能之間可能是互相矛盾的，需要系統工程的視角。這可能也是會有高端沖鋒衣卡脖子論調的一個原因。

參考文獻：

• Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces

• https://baijiahao.baidu.com

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：opzk、藍多多

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的听说冲锋衣上热搜了？玩转荷叶，教你认识冲锋衣为啥防水的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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