潤濕現(xiàn)象是自然界普遍存在的重要界面現(xiàn)象，與我們的日常生活密不可分，具有重要的實際應(yīng)用和科學(xué)研究價值。自1997年，Planta報道荷葉表面的自清潔特性以來，具有特殊潤濕性的表面材料受到了廣泛的關(guān)注。材料表面的特殊潤濕性具體體現(xiàn)在表面對液體的極端排斥作用或極端親潤作用，衡量材料表面潤濕性的一個重要指標是液體的接觸角，接觸角大于150°的表面被稱為超疏水表面或超疏油表面，接觸角接近于0°的表面被稱為超親水表面或超親油表面，如果在一定外界刺激下材料表面的特殊潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，這類表面又被稱為潤濕響應(yīng)性表面。

由于在抗污、自清潔、抗水霧、化學(xué)防護、隔熱抗冰、流體減阻、油水分離、微型制造、微流體調(diào)控等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，近年來，科學(xué)工作者在自然生物表面潤濕特性的啟發(fā)下，開發(fā)出了許多具有特殊潤濕功能的表面材料，極大推動了表面科學(xué)的發(fā)展。然而，科學(xué)界在揭示表面潤濕性與結(jié)構(gòu)內(nèi)在關(guān)系方面還未形成統(tǒng)一的理論；在表面異質(zhì)潤濕性方面還沒有明確的實施途徑和潤濕機理；在表面極端潤濕性方面還未能實現(xiàn)對幾乎所有液體均具有排斥作用的超全疏表面。

著眼于上述亟待解決的科學(xué)問題，本論文首先從銀杏葉向陽面和背陰面迥異的潤濕現(xiàn)象出發(fā)，通過微觀結(jié)構(gòu)分析以及仿生研究揭示銀杏葉表面的特殊潤濕性機制及其生態(tài)學(xué)依據(jù)；然后，通過數(shù)學(xué)建模和理論計算探討表面微觀結(jié)構(gòu)和宏觀潤濕性的定量關(guān)系，并通過對響應(yīng)性超疏水表面、反常超親水超疏油表面以及功能超全疏表面的研究，以系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)驗證表面結(jié)構(gòu)與潤濕性的理論關(guān)系；進而深入探討特殊潤濕功能表面在自清潔、智能調(diào)控、油水分離、化學(xué)防護以及減阻運載等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

本論文在此研究基礎(chǔ)上，首次建立了特殊潤濕功能表面的理論、構(gòu)筑與應(yīng)用的系統(tǒng)研究方法，取得了以下主要創(chuàng)新性研究成果：在仿生超疏水表面的研究方面，首次揭示了銀杏葉背陰面具有穩(wěn)定的超疏水特性，這主要是由背陰面球形顆粒凸起的微觀形貌以及銀杏葉表面的蠟質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的；仿照銀杏葉背陰面特殊潤濕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)機理，通過化學(xué)手段在人工表面上再現(xiàn)了與天然表面相匹敵的超疏水自清潔特性；此外，基于偶氮苯衍生物的光致異構(gòu)現(xiàn)象，成功提出了超疏水表面的光致潤濕作用機理，并且還首次實現(xiàn)了表面超疏液和超親液兩種極端潤濕狀態(tài)之間的動態(tài)、連續(xù)和循環(huán)的智能調(diào)控。

在結(jié)構(gòu)與潤濕性理論研究方面，啟發(fā)于銀杏葉特異潤濕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)機制，率先建立了宏觀粗糙表面的球形結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)的微觀模型，并從液體接觸角、潤濕體系自由能、復(fù)合潤濕狀態(tài)的穩(wěn)定性以及表面對空氣的容納能力等多個方面進行了全面詳盡的理論推導(dǎo)，首次形成了一套對實際表面特殊潤濕現(xiàn)象進行系統(tǒng)分析和表征的理論研究方法。在表面的化學(xué)異質(zhì)性研究方面，通過系統(tǒng)的表面功能設(shè)計和有效的潤濕性能控制，首次構(gòu)筑了一種機械、化學(xué)以及熱穩(wěn)定的反常超親水超疏油表面；近百種液體的潤濕性研究表明，這種反常表面不但對極性液體具有即時響應(yīng)的選擇潤濕作用，而且對非極性有機液體還具有超強的抗?jié)櫇褡饔?，這種反常的表面潤濕特性在文獻報道中是獨一無二的；進而結(jié)合表面元素分析，首次提出并成功驗證了反常表面的二元異質(zhì)性潤濕機理；在此基礎(chǔ)上，深入系統(tǒng)地研究了超親水超疏油表面的自清潔和油水分離應(yīng)用，研究結(jié)果展示出這種反常表面具有非常廣闊的實際應(yīng)用前景。

在探索表面抗?jié)櫇裥詷O限方面，首次詳細闡述了具有超低表面能的多級粗糙結(jié)構(gòu)在超全疏表面的設(shè)計和開發(fā)中的重要作用：利用靜電紡絲技術(shù)成功獲得了的一種有機無機雜化的低表面能多級粗糙性超全疏表面；研究表明，上百種不同物理性質(zhì)液體均具有超高的接觸角和超低的接觸角滯后，這種極致的抗?jié)櫇褡饔貌粌H成功驗證了多級粗糙結(jié)構(gòu)重要作用，還成功刷新了超全疏表面的抗?jié)櫇裥詷O限，這在文獻報道中也是獨一無二的；此外，還首次提出并驗證了這種具有完美抗液性超全疏表面的化學(xué)防護機制，系統(tǒng)展示了在表面自清潔、化學(xué)防護、流體表面運載等領(lǐng)域無可比擬的實際應(yīng)用前景。

本論文所展示的這些實驗和理論研究成果，或?qū)樯婕氨砻婵茖W(xué)的各個學(xué)科如化學(xué)、生物、物理、材料、化工、環(huán)境、機械等技術(shù)領(lǐng)域提供新的研究思路、實驗參考以及理論指導(dǎo)，因此，具有重要的科學(xué)研究價值和巨大的實際應(yīng)用空間。