超疏水薄膜的形成机理
几种COF增强超疏水材料的制备及其油水分离性能研究
几种COF增强超疏水材料的制备及其油水分离性能研究几种COF增强超疏水材料的制备及其油水分离性能研究引言近年来，对于水资源与环境的保护需求日益迫切，油水分离技术成为了研究的热点。
超疏水材料由于其优异的油水分离性能，逐渐成为了研究的重点。
其中，共价有机框架材料（COF）由于其高度可控的结构以及表面提供了良好的基础，被广泛应用于超疏水材料的制备。
本文将介绍几种COF增强超疏水材料的制备方法以及其油水分离性能的研究进展。
一、COF增强超疏水材料的制备方法1. 模板法：在模板的引导下，通过有机合成方法在模板孔道中形成COF纳米颗粒，再利用聚合物包覆或静电法固定COF纳米颗粒，形成超疏水材料。
2. 染料烧结法：将COF与染料共混，并通过高温烧结使二者相互交联，形成COF增强的超疏水薄膜。
该方法具有制备简单、成本低等优点。
3. 溶胶-凝胶法：通过将溶解的COF溶液进行调整，形成凝胶态，在经过烘干和焙烧等步骤后，制备出COF增强的超疏水材料。
该方法操作简单，且能够灵活控制COF的结构。
二、COF增强超疏水材料的油水分离性能研究1. 分离效率：研究发现，COF增强超疏水材料对于油水分离具有较高的分离效率。
其疏水性能能够在油水混合物中迅速形成微观液滴，使其与水相分离，实现高效油水分离。
2. 循环稳定性：COF增强超疏水材料在经过多次循环使用后，仍能保持较高的分离效率。
由于COF材料本身的结构稳定性，使得其在分离过程中不易失效。
这为其在实际应用中提供了良好的可行性。
3. 抗污染性：COF增强超疏水材料对污染物的抗污性能也得到了广泛研究。
实验结果表明，其中一些材料具有良好的抗污渍性能，能够快速去除油污，并且在清洗后能够恢复原有的超疏水性能。
4. 应用前景：COF增强超疏水材料在油水分离领域具有巨大的应用前景。
其高效的油水分离性能以及优异的循环稳定性和抗污染性能，能够广泛应用于海洋清洁、废水处理等领域。
结论本文介绍了几种COF增强超疏水材料的制备方法，并对其油水分离性能进行了总结。
疏水涂层的原理
疏水涂层的原理说起疏水涂层的原理，我有一些心得想分享。
不知道大家有没有注意过这样一个生活现象，荷叶上的水珠总是滚来滚去，而且荷叶看起来依旧干爽，就好像水珠在荷叶上待不住一样。
其实这就和疏水涂层的原理有着相似之处。
咱们来了解一下疏水涂层，这个东西通俗来讲就是让表面不容易被水沾湿的一种涂层。
从微观角度看，物质表面有的是亲水的，有的是疏水的。
就好像人一样，有些人特别热情好客，就有点像亲水表面，很乐意和“访客”水打交道；而疏水表面就像是有些比较“高冷”的人，不太欢迎水这个“访客”。
这就要说到疏水涂层的原理啦，其实主要是表面能和接触角在起作用。
简单解释一下这两个概念，表面能就像是物体表面跟外界交朋友的一种能力，表面能越低，就越“懒得”和其他东西发生作用。
接触角呢，就是水滴在一个表面上的时候，水滴边缘和表面形成的那个夹角。
对于疏水涂层，它的表面能比较低，使得水滴放在上面的时候，接触角会变得很大，大到一定程度，水滴就变成一个接近球形的形状在涂层表面，稍微有点倾斜或者晃动，水珠就像球一样滚走了。
这就意味着水很难在上面停留或者渗透，就达到了疏水的效果。
打个比方吧，疏水涂层就像一个超级滑溜的滑梯，水就像站在滑梯顶端的小朋友，稍微有点动静，小“朋友”就哧溜一下滑走了，根本留不在上面。
说到这里，你可能会问，疏水涂层只有这一个原理吗？其实也不是啦。
有些疏水涂层它的微观结构也起到了很大的作用。
比如说它有那种微型的凸起或者凹陷，就像一个个小山峰或者小山谷，对于水这个“外来客”来说，这种微观结构让他们很难找到合适的“立足之地”，于是就只能滑走了。
在实际生活中有很多疏水涂层的应用呢。
就像咱们有些手机屏幕现在有了疏水涂层，这样如果不小心溅上一点水，不容易在屏幕上留下痕迹，也不用担心水渗透到屏幕里面去。
还有就是一些户外的广告牌，要是用了疏水涂层，遇到下雨天就不会被雨水侵蚀得太厉害，而且水珠滚落以后，广告牌还是很清晰的。
不过呢，老实说，我一开始也不明白为什么有些疏水涂层好像用一段时间就不太有效了呢？我想这可能和涂层的磨损或者污渍覆盖有关吧。
图解：纳米超疏水自清洁表面的应用
图解：纳米超疏水自清洁表面的应用自然界的超疏水现象“荷叶表面具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”「见下图1」。
▲图1自然界的荷叶疏水表面现象科学家发现，荷叶表面具有微米级的乳突，乳突上乳突上有纳米级的蜡晶物质，这种微-纳米级的粗糙结构可以大幅度提高水滴在其上的接触角，导致水滴极易滚落「见下图2」。
▲图2荷叶表面微观结构水滴在超疏水表面上的运动是一个复杂的物理现象，在自清洁过程中起到了一个至关重要的作用：水滴在表面滚动时会带走表面的污染物或灰尘，从而达到自清洁的效果「见下图3」。
▲图3超疏水表面自清洁原理示意图当然这些现在也存在于很多其他生物身上「见下图4」；科学家们研究这些生物及模仿这些生物现象，制备出了许多超疏水产品并得到了许多的应用（详见后文介绍）。
▲图4自然界中具有超疏水性的动植物及其扫描电子显微镜(SEM)图(a,b)荷叶;(c,d)水稻叶;(e,f)水黾腿[3];(g,h)孔雀羽毛[5,6];(i,j)壁虎脚掌[7];(k,l)蝉翼[9];(m,n)蝴蝶翅膀[10];(o,p)蚊子复眼[13]下文将为大家简单介绍超疏水自清洁的原理及一些超疏水表面的应用例子。
1、超疏水表面自清洁原理自清洁表面指表面的污染物或灰尘能在重力或雨水、风力等外力作用下自动脱落或被降解的一种表面，基于超疏水原理的自清洁表面主要是指接触角CA150°、滚动角SA＜10°的类荷叶表面「见下图5（d）」。
▲图5不同表面水滴接触界面状态2、常见超疏水表面制备现状人工制备超疏水表面虽然时间不长，但发展特别迅速，有效的制备方法也越来越多，主要有模板法、静电纺丝法、相分离与自组装法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、水热法、化学沉积与电沉积法、纳米二氧化硅法、腐蚀法等。
目前人工超疏水表面主要包括超疏水薄膜表面、超疏水涂层表面、超疏水金属表面及超疏水织物等方面。
超疏水表面的制备 结构与性能研究
3、抗腐蚀性能：通过浸泡实验和电化学测试，评估制备的超疏水金属表面在 腐蚀环境中的抗腐蚀性能。
五、结果与讨论实验结果表明
六、结论本次演示研究了仿生超 疏水金属表面的制备工艺和性能 测量方法
展望未来，超疏水表面在各个领域的应用前景仍然广阔。本次演示的研究成果 对实际应用具有一定的指导意义，但仍需从以下方面进行深入研究：1）优化 制备工艺，提高超疏水表面的批量生产能力；2）研究超疏水表面的抗生物污 损性能，拓展其在生物医学领域的应用；3）探究超疏水表面在其他极端环境 （如高温、低温、强辐射等）下的稳定性和耐久性。
参考内容二
摘要：本次演示旨在研究仿生超疏水金属表面的制备工艺和性能测量方法。首 先，本次演示介绍了超疏水表面的相关理论和知识，为后续制备和性能研究提 供理论基础。接着，本次演示详细阐述了仿生超疏水金属表面的制备工艺和方 法，包括表面微结构加工、低表面能物质修饰等关键环节。
最后，本次演示介绍了性能测量方法，对制备出的仿生超疏水金属表面进行了 水滴接触角、耐久性和抗腐蚀性能等指标的测量和分析。实验结果表明，所制 备的仿生超疏水金属表面具有优异的水滴接触角、耐久性和抗腐蚀性能。
3、表面修饰法：采用表面修饰法将低表面能物质与金属表面牢固结合，提高 其耐久性和稳定性。
四、性能测量方法为评估仿生超 疏水金属表面的性能，本次演示 采用以下方法进行测量：
1、水滴接触角：通过静态接触角测量仪测量水滴在表面上的接触角，评估其 疏水性能。
2、耐久性：通过摩擦实验和热稳定性实验，考察制备的超疏水表面在不同条 件下的耐久性和稳定性。
2、低表面能物质：低表面能物质如氟化物或硅氧烷可以显著降低表面的水滴 滚动阻力。通过选择合适的低表面能物质和制备工艺，可以获得具有优异超疏 水性能的表面。
超疏水表面
氧化锌（ZnO）是一种具有直接带隙宽禁带Eg=3.37eV的半导体
材料，结构为纤锌矿结构，具有较大的激子束缚能。一维ZnO以其
独特的光电和催化性质在光电子器件、气体及生物传感器、高效催 化剂、太阳能电池等方面有着广阔的应用前景，所以超疏水性的研
究对于将ZnO用于各种器件来说则非常重要。由于在光滑表面上，
超疏水表面
姓名
自然界中的两个为什么？
水黾为什么能练就 “水上飞”？
荷叶为什么“出淤 泥而不染”？
超疏水表面
我们先来认识“超疏水表面”。
以液体水为例，通常将与水接触角小于90°的固体表
面称为亲水表面，大于90°称为疏水表面；特别地，与水 接触角大于150°的表面称为超疏水表面。具有超疏水的 特殊浸润性表面是近年的研究热点。
刻 蚀 法
沉 积 法
模 板 法
溶 胶 凝 胶 法
相 分 离 法
静 电 纺 丝 法
纳 米 颗 粒 法
化 学 腐 蚀
激 光 刻 蚀
等 离 子 体 刻 蚀
光 刻 技 术
平 版 印 刷 术
物 理 气 相 沉 积
水 热 生 长 法
化 学 气 相 沉 积
电 化 学 方 法
层 层 组 装 技 术
超疏水表面技术存在的问题
另一种则是通过对具有高表面能基底材料如金属、金属氧化物、
无机材料等表面进行粗糙化，然后修饰低表面能的物质（如氟硅
烷）。这种方式丰富了超疏水表面的制备方法，拓宽了超疏水表面的 应用范围。
超疏水表面制备技术
不管哪种途径，构建表面粗糙结构是制备超疏水最为关键的一 步，目前用于超疏水表面制作的粗糙化技术主要可以归为以下几类。
化学溶液沉积法制备超疏水氧化锌薄膜
超疏水材料的应用前景
滚动角
上面所描述的接触角所表征的是水滴在水平面上的表现，而现实中 的平面往往不是水平的，更多的是斜面。水滴在倾斜表面上可能滚动或 停滞，这种状态可以用滚动角进行表征。所谓滚动角是指液滴在固体表 面开始滚动时的临界表面倾斜角度α( 如图所示) 。若液滴开始滚动的倾斜 角越小，表明此表面的超疏水性越好。
Baitai Qian等利用beck's位错刻蚀剂腐蚀Al, Zn, Cu多晶型金属， 再进行表面氟化从而制得最高接触角156°，滚动角和滞后角都很小 的超疏水表面。
化学刻蚀法制备超疏水表面有较好的选择性，并 且可以对复杂形状的物体表面进行刻蚀，效率高，成 本低，但也有不足，如过度刻蚀对表面造成损伤，破 坏基体材料的力学性能，刻蚀过程中会产生废液，需 要处理。
在国外许多铝、铁、碳钢等金属以及合金表面都会用超疏水膜 来修饰,以提高其防腐蚀性。该方法可有效地运用在如管道气体、液 体运输减阻等多方面对降低运输能耗提高输送效率有很大帮助未来 有较大的开发应用空间。
在织物及过滤材料方面的应用
采用静电纺丝法或者在材料表面进行处理可 制备具有超疏水性的各种微纳米结构纤维。这类 材料因具有超疏水性能，可用于制造防水薄膜、 疏水滤膜以及防水透气薄膜等，或者使织物因疏 水性能而具有防水、防污染、防灰尘等新功能。 如美国NANOTEX公司采用纳米技术开发的 Nano-care 功能型面料;德国巴斯夫( BASF) 公司 也将荷叶效应应用到纺织品上，开发出具有超疏 水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。
超疏水材料主要利用其自清洁、耐玷污等生物仿生方面 的特性进行开发和应用，在诸如军工、农业微流体毛细自灌 溉、管道无损运输、房屋建筑以及各种露天环境下工作的设 备的防水和防冰等方面有广阔的前景。具体有以下几方面。
超疏水材料的加工
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超疏水材料的简介
超疏水表面
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超疏水材料的简介
不同表面水滴接触角界面状态
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超疏水材料的简介
超疏水表面形成的原因 固体表面的润湿性能由化学组成和微观结构共同决定：
◆化学组成结构是内因： 低表面自由能物质如含硅、含氟可以得到疏水的效果。
研究表明，光滑体表面接触角最大为120°左右。 ◆表面几何结构有重要影响：
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( d) 水滴的形貌图 (接触角为 160.4° )
超疏水材料的制备方法
5.溶胶-凝胶法
溶胶一凝胶法就是采用含高化学活性组分的化合 物作为前驱体，一定条件下，在液相中水解、缩聚， 从而生成稳定的透明溶胶体系，溶胶陈化而胶粒间缓 慢聚合，最终形成三维空间网络结构的凝胶。
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超疏水材料的制备方法
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超疏水材料的制备方法
复制模塑技术制备仿生超疏水表面的操作示意图
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超疏水材料的制备方法
2.等离子体法 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后 产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜 长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配， 并表现出显著的集体行为。等离子体是不同于固体、液体 和气体的物质第四态。 等离子体法原理：利用等离子体对表面进行处理，获得粗 糙结构，从而得到超疏水性的材料表面。
具有微细粗糙结构的表面可以有效地提高疏（亲）水表 面的疏（亲）水性能。
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超疏水材料的制备方法 制备原理
制备原理
一种是在 粗糙表面 修饰低表 面能物质
一种是将 疏水材料 构筑粗糙 表面
超疏水材料PPT幻灯片课件
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超疏水表面的制备
一种是在粗 糙表面修饰 低表面能物
质
制备原理
一种是将疏 水材料构筑 粗糙表面
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超疏水表面（材料）制备方法
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1、模板法
模板法也称复制模塑法，自20世纪90年代提出以来已经 得到了广泛应用。进入21世纪，复制模塑技术也深入到 超疏水表面的制备研究中，尤其是在仿生超疏水表面的 复制中有着独特的优势。
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超疏水材料的应用
新型超疏水材料的应用将十分广泛： 沙漠集水 远洋轮船传递涂料，可以达到防污、防腐的效果； 室外天线上，建筑玻璃，汽车、飞机挡风玻璃上，可以防积雪，自清
洁； 冰箱、冷柜等制冷设备的内胆表面上，凝聚水、结霜、结冰现象； 天然气、石油管道内壁表面超疏水分子膜； 用于微量注射器针尖，可以完全消除昂贵的药品在针尖上的黏附及由
γSV = γSL + γLV×cosθe γSV γSL γLV分别为顾气、固液、液气间的
液面张力
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由于Young方程仅适用于理想中的光滑固体表面，Wenzel和Cassie对粗糙表 面的浸润性进行了研究，并分别各自提出理论
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Wenzel模型
Wenzel模型：粗糙表面的存在，使得实际上固液相的接触面要大于表观几何 上观察到的面积，从而对亲（疏）水性产生了增强的作用。
待解决问题；机械稳定性问题、老化问题、成本、制备 工艺，工业化、产业化、商业化，以及更深层次的理论 研究。
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谢谢！
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模板法
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2.等离子体法
等离子体：是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离 后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存 在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在 的第四态。
关于超疏水涂层综述1
自洁净技术当今世界现有的技术很多都是来自于大自然中的，自洁净技术就是其中之一。
在自然界中的许多生物都表现出自洁净的性质。
蝴蝶的翅膀和植物的叶子，例如卷心菜和莲花。
自洁净技术的应用范围很广，从窗户玻璃的清洗到太阳面板的清洁，从水泥到纺织品。
这项技术在20世纪末得到了极大的重视。
世界各地都在开发着具有增强光学性质的高效耐用的表面涂层。
除了应用方面的好处，这项技术还提供了各种各样的好处，包括减少维护成本，消除繁琐的手工工作，花在清扫工作上的时间也会减少。
自洁净涂料大致分为两个主要的类别，亲水和疏水，这两个类别都是通过水的作用来达到自我清洁的效果。
在一个亲水涂层，水在表面扩散，会带走污垢和其他杂质。
而在疏水技术中，水在表面滚动滑落，从而达到清洗的目的。
然而,亲水性涂料使用合适的金属氧化物具有一个额外的属性，在阳光的辅助作用下，化学分解复杂的污垢，达到清洁的作用。
自清洁的应用，就是超疏水材料的应用。
杨氏方程制定在200年前，现在在湿润科学上仍然是基本的方程。
杨氏方程是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL，γLv 与接触角θ之间的关系式。
表达式为：γsv -γSL=γLvCOSθ。
该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。
COSθ=(уSV -уSL)/уLV 式中уSV 为固体表面在饱和蒸气下的表面张力，уLV 为液体在它自身饱和蒸汽压下的表面张力，уSL 为固液间的界面张力，θ为气、固、液三相平衡时的接触角。
当θ＞90°时固体表面表现为疏水性质，θ＜90°时表现为亲水性质。
将与水接触角大于150°的物体表面称为超疏水表面。
温泽尔就膜表面的粗糙情况对疏水性的影响进行了深入的研究．对杨氏方程进行了修正。
指出由于实际表面粗糙使得实际接触面积要比理想平面大，提出了Wenzel 方程：cosθ1=r(уSV -уSL)/уLV。
式中r 为实际接触面积／表观接触面积。
PDMS超疏水表面的制备及集雾应用
1 500目、3 000目、5 000目、7 000目砂纸。
将石墨烯分散于环己烷中，在恒定温度10 ℃下超声处理30 min ，得到分散均匀的石墨烯溶液，取PDMS 预聚体3 g 、固化剂0.3 g 和环己烷0.5 g 以及已经分散好的石墨烯溶液在小烧杯中搅拌均匀，并在真空干燥箱中真空抽气4次以除去多余的气泡，分别浇注在玻璃板上，放入烘箱60干燥5 h ，烘干以后便得到粗糙度不同的PDMS 薄膜。
1.2 样品表征所测样品在室温环境下用接触角测量仪测定PDMS 表面五个不同的位置的接触角，并求平均值作为表面的接触角，每组测量时间保持在2 min 内。
采用扫描电子显微镜对样品进行微观表征。
2 结果与讨论2.1 表面微结构表征金相砂纸是胶粘有磨料颗粒(如碳化硅)的特殊纸张，因此可以以砂纸为模板制备出不同粗糙度的PDMS 表面。
对这些不同目数的砂纸和所制备的PDMS 表面在扫描电子显微镜下进行表征，观察电镜照片可以很明显地看到砂纸表面有很多的碳化颗粒，这些碳化颗粒的粒径不同且之间无序的排列，颗粒之间存在微米级的间隙，不同目数之间的颗粒粒径和间隙都不同，使得以这些砂纸为模板制备的PDMS 表面的结构有所不同。
通过对比砂纸表面和PDMS 表面的的微观形貌，发现PDMS 表面几乎完美复制了砂纸表面的微米结构，作为砂纸表面的复制品，PDMS 表面应该是与砂纸表面互补的，砂纸表面是各种“凸起”，PDMS 表面则是各种“凹槽”，但是由于砂纸表面的碳0 引言自然界的生物经过几十亿年的进化，不同种类的生物具有其独特的风格，例如雨后水滴受表面张力的影响不会粘在荷叶表面，而是像珍珠一样在表面来回滚动，使荷叶表面变得干净，称之为“荷叶效应”。
这是由于荷叶表面具有不易被沾湿的微米级的乳突结构且在顶部具有纳米级的小突起[1]，这种微米纳米级分层结构会隔开水滴和荷叶表面，使水滴不易沾湿荷叶表面，增加液滴与荷叶表面的接触角。
疏水具有优异的防水、防雾、抗氧化等功能因此在工业方面具有很广泛的应用潜力，例如：润滑[2]、减阻[3]、防腐蚀[4]等。
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超疏水薄膜的形成机理
超疏水薄膜是一种具有高度水疏性能的薄膜材料，其具有许多应用领域，例如自清洁、防污染、油水分离、自清洁和自清洁涂层等领域。
此类薄膜材料的制备需要加工和表面修
饰技术的结合。
本文主要阐述了超疏水薄膜的形成机理，包括表面形状、表面化学和构建
多级结构三个方面。
1. 表面形状
超疏水薄膜的表面形状是影响其疏水性能的重要因素之一。
由于具有微纳米级别的结
构特征，表面形状可以影响水滴的接触角和表面张力。
接触角越大，表面张力越小，表明
水滴会更加容易在表面上凝聚成球形。
因此，形成超疏水薄膜的关键是建立微纳米结构，
使得表面更加粗糙，从而增大表面积，提高接触角和表面张力。
2. 表面化学
表面化学是超疏水薄膜形成的另一个重要因素。
在表面处理过程中，通过修改表面的
化学特性，如表面能、极性和化学反应等都可能导致表面疏水性能的提高。
例如，引入含
有氟分子的化合物，可以增加表面的疏水性能。
此外，原子层沉积技术(ALD)是一种有效的表面处理方法。
通过将薄膜表面进行接枝
或修饰，可以在表面引入功能性基团，从而提高其疏水性能。
例如，可以在表面引入含氟
基团的化合物来增强疏水性。
利用这种方法，可以在表面附着在含氟轻微烷基的硅氧烷基团，实现表面超疏水处理。
3. 构建多级结构
在构建多级结构时，可以通过四种方法进行超疏水薄膜的制备：纳米粒子自组装、浸
涂法、紫外光干燥和化学气相沉积法。
其中，纳米粒子自组装法是一种简单、低成本且普
遍应用的方法，适用于制备非常稳定的超疏水薄膜。
通过将纳米粒子自组装在表面上，可
以形成微纳米级别的结构，从而实现表面多级结构的构建。
总之，超疏水薄膜的形成机理涉及到表面形状、表面化学和构建多级结构等多个方面。
这些机理在超疏水薄膜的制备和应用中起着至关重要的作用，对于新材料的研究以及人类
生活工作中的应用具有重要意义。