自清潔的故事

專欄荒廢半年，對不住各位。

簡單說下，我又活過來了，雖然科研處於停滯狀態，前途越發不明朗，但是人還是要逼自己一下，事情能做一點就做一點，文章能寫兩行就寫兩行吧。

言歸正傳，最近在知乎上看到了一個挺有意思的問題「如何看待美國邁阿密人行天橋搭建

5 天后坍塌致數人死亡？」截至目前的答案中，有橋樑設計人員從結構力學等角度討論天橋倒塌的原因以及給橋樑設計施工人員提供的經驗教訓，也不乏吃瓜群眾調侃美國基建人才斷檔以及延伸出來的種種社會問題。不過，身在材料專業，我在新聞縫隙里讀出這麼一句話「Its

the first bridge in the world to be constructed entirely of self-cleaning

concrete: Its made of titanium dioxide which, when exposed to sunlight,

captures pollutant particles from the air and cleans its own concrete surfaces.」這是世界上第一座完全由自清潔水泥修建的橋樑，含有二氧化鈦，可以在陽光照射下捕獲空氣中的污染物顆粒，並清潔其自身表面。那麼這一功能是如何實現的呢，今天我就講一講自清潔材料的故事。

首先，自清潔，指的是一類特殊材料的固有性質，可以通過不同的方式自發的清除其表面附著的雜質和細菌。事實上，這一現象最初來自於人們對大自然的觀察，「出淤泥而不染」的荷葉，就是典型的天然自清潔表面。此外，大自然當中還有很多其他的動植物的部分表面都具有天然的自清潔能力，例如水稻葉片，豬籠草，蟬的翅膀，蝴蝶翅膀，壁虎的腳，蝸牛的殼，魚鱗和鯊魚皮等等。從機理的角度講，絕大多數天然自清潔表面都具有特殊的浸潤性，即超親水和超疏水，通過水和物體表面的相互作用實現自清潔功能。另一方面，學術界第一篇關於自清潔表面的論文發表於1995年 ("Photo oxidative self-cleaning transparent titanium dioxide films on glass". Journal of Materials Research. 10 (11): 2842–2848, 1995)。在這篇文章當中，前文提到的倒塌橋樑所採用的二氧化鈦(TiO2)自清潔技術，正式登場，給人們指出了一種自清潔的新方法，那就是光催化自清潔。近些年，仿生自清潔表面的相關研究也取得了很多突破性的進展，人們已經成功掌握了超親水，超疏水和光催化這三種自清潔表面技術，並一定程度上在生活中得到了應用。下面簡單介紹講一下這三種自清潔表面的科學原理。

首先，超親水和超疏水自清潔表面都是利用了材料表面的特殊浸潤性。浸潤性，也叫潤濕性，指得是一種液體在一種固體表面鋪展的能力或趨勢。例如，把一滴水滴在固體表面，可能出現如下兩種不同的情況：水滴傾向於鋪展成一層薄薄的水抹，這表明水在這種固體表面浸潤，這種固體表面具有親水性；或者水滴傾向於聚攏成球形小液滴，這表明水在這種固體表面不浸潤，這種固體表面具有疏水性。這裡又引出了一個新的概念，水滴或者液滴在固體表面鋪展之後的切線和固體表面之間的夾角，被稱為接觸角，是定量描述浸潤性的參數。原則上，接觸角大於90度，就是疏水表面，小於90度就是親水表面。更進一步的，人們定義，當接觸角接近或大於150度時，固體表面具有超疏水性，而當接觸角趨近於0度時，固體表面具有超親水性。舉兩個典型的例子，水在雲母表面的接觸角小於4度，而水在荷葉表面的接觸角約為147度。

那麼超親水和超疏水表面如何實現自清潔功能的呢？一方面，水在超親水表面上會自發鋪展成面積很大而厚度很薄的水膜，阻礙了油脂和灰塵微粒等污染物與表面的直接接觸 ；而完全鋪展的水膜又會很快蒸發 ，帶走其表面附著的雜質，實現自清潔功能。自然界中，蝸牛殼就屬於這種情況。工業上，超親水表面目前多以防霧自清潔塗層或薄膜的形式應用在一些比較特殊的環境中，例如騎車後視鏡，齒科或體內專用的窺鏡，以及一些比較高級眼鏡片等等。另一方面，水在超疏水會自發形成聚攏的水滴，當水滴在傾斜表面上滾動時，會自髮帶走表面附著的一些灰塵顆粒，實現自清潔功能。自然界中，除了之前提到的荷葉之外，一些蝴蝶的翅膀也具有類似功能。工業界中，則主要應用於大型建築的玻璃外牆等難以清潔的表面等。目前的學術界，通過對材料表面納米結構的修飾實現對材料浸潤性的控制，是一個研究的熱點，以Lei

Jiang為首的科研團隊在這方面可謂碩果累累，有興趣的朋友可以自行調研一下這方面的文獻。

回到這個故事的主角，倒塌的自清潔橋樑並非採用了上述兩種自清潔技術，而是通過TiO2的光催化特性實現了自清潔。TiO2是一種很神奇的材料，一方面，在沒有光照的情況下，其表面具有疏水性，但在紫外光的照射下，會轉變為超親水性；另一方面，TiO2會在紫外光的誘導下，通過化學反應， 把光能轉化為化學能，分解表面附著的水和其他有機污染物，這些物質被分解後以氣體形式離開物質表面，殘留的固體微粒又會隨著水膜鋪展而被帶走，從而實現自清潔表面的效果。更為神奇的是，TiO2不但可以分解表面附著的雜質，還可以轉化空氣當中的污染氣體，例如氧化氮氧化物和氣體有機物等，在自清潔表面的基礎上，實現改善空氣質量的效果。我這裡不打算對光催化的物理化學原理進行深入的闡述，有興趣的朋友還可以去了解一下Akira

Fujishima的研究成果。生活中，這種技術已經得到了一定程度的應用，例如日本某些公共場所的吸煙室，通過光催化效應清除空氣中殘留的有機廢氣，效果顯著。而對於建築物而言，除了本文提到的大橋之外，位於羅馬的Jubilee教堂也利用了這種技術，使教堂的雪白外牆歷久如新。

講完了三種自清潔表面的原理和應用，大家或許認為這是一個看上去很美的故事。誠然，實現建築物外牆的自清潔，已然對社會有著重要的貢獻，但如果指望自清潔表面同時能夠改善環境，恐怕不得不考慮一些仍然存在的問題：

（1）當空氣中的氮氧化物被TiO2光催化轉化成硝酸鹽之後，流向哪裡 ？基本上是地表和地下水，這些硝酸鹽進入水體後對環境的影響，目前尚不明確；

（2）當空氣的濕度以及空氣中氮氧化物的濃度很低時，某些研究表明自清潔表面不但無法清除污染物，反而會提高氮氧化物的濃度，導致空氣質量的下降；

（3）最後，這種TiO2表面的製備過程實際需要排放大量的氮氧化物，那麼這些材料在使用過程中必須表現的極為優異，才能中和生產過程對環境的負面影響。

顯然，在特定的環境下使用自清潔表面技術可以起到事半功倍的效果。然而，如果城市中大量的建築物都採用這種技術，是否依然能夠有良好的社會和環保收益，恐怕只有時間才能證明了。

參考文獻

知乎問題 https://www.zhihu.com/question/268878801?rf=268900186

橋樑倒塌新聞 https://edition.cnn.com/2018/03/15/us/fiu-pedestrian-bridge-stats-trnd/index.html

橋樑倒塌新聞 http://news.ifeng.com/a/20180316/56788788_0.shtml

維基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Self-cleaning_surfaces#Pitcher_plant

自清潔水泥 https://www.citymetric.com/skylines/what-exactly-self-cleaning-concrete-and-how-does-it-work-944

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