“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，荷花虽然生长在淤泥里，但是它的叶子却几乎永远保持洁净；“苍苍芳草色，含露对青春”，圆滚滚的露珠在芳草上摇摇欲坠，彰显着无限生机；“白毛浮绿水，红掌拨清波”，雁鸭及鹅类动物能够在河面戏水玩耍，得益于其羽毛上特殊的结构。凡此种种，均是自然中润湿性的表现。

润湿性(wettability)是指一种液体在一种固体表面自发占领的能力或倾向性。我们可以用接触角θ来衡量固体表面的润湿性，若θ < 90°，该表面称亲水表面，液体能够浸润固体表面；若θ > 90°，则该表面称疏水表面，液体不能浸润固体表面；而超疏水表面通常指θ > 150°的表面。最初，超疏水效应是在材料科学和仿生学的研究中发现的，下面以荷叶为例。

图 1a描述了荷叶的超疏水表面，具有“出淤泥而不染”的奇特现象。用扫描电子显微镜观察，能看到在荷叶粗糙表面上的微米级的乳凸(图 1b)，它们的平均尺寸接近10 μm，平均间距在20 μm左右。突起上面还有表皮分泌的纳米级棒状蜡质晶体(图 1c)。荷叶表面的自清洁效应就是因为具有精细的微米和纳米的双重结构和低表面能的蜡质晶体^[1]。同样，水黾能够漂浮在水面上也是因为它的腿表面存在类似于荷叶表面的微纳结构。此外，自然界中的玫瑰、蝴蝶、蜻蜓、孔雀等都表现出超疏水现象(图 2)。

本科普实验利用溶胶-凝胶法制备拨水剂，喷涂在玻璃板上后能够模拟自然界超疏水原理形成超疏水表面，并进一步结合化学“红绿灯”实验，进行绘画展示，从生活现象出发到材料的应用设计，增强人们对材料的探索和思考，希望帮助人们了解自然界中一类奇妙的超疏水现象的原理，以及利用超疏水现象来改造自然所带来的神奇魅力，激发人们对自然界探索的兴趣。

润湿性是指固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象，主要是由两个表面的粗糙度和化学成分来共同决定。在表面润湿性研究当中，存在着两种理想状态：Cassie状态和Wenzel状态^[4]。Cassie状态模型(图 3a)表示液滴与固体表面凹槽中截留的空气接触。Wenzel状态模型(图 3b)表示液体与固体紧密接触，界面不包含气体。

接触角是指在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角，用θ表示(如图 3c所示)。接触角θ能够从实验中测定，在0°–180°之间变化，其数值越小，说明表面润湿性能越好。因此，接触角被作为固体表面的润湿程度的衡量标准，若θ < 90°，该表面称亲水表面，液体能够浸润固体表面；若θ > 90°，则该表面称疏水表面，液体不能浸润固体表面，超疏水表面则是指θ > 150°的表面^[5]。

本实验通过三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷改变玻璃的表面能，利用氟原子的强吸电子效应，使C—F键表现出明显的化学惰性，从而使玻璃(基面)具有更低的表面能^[6]。其中碳在基材上能够自动缩合形成化学键固定，不仅大大增强耐久性，而且能够在短时间内制作超疏水材料；并通过疏水性纳米二氧化硅颗粒(约20 nm)、甲基硅油和三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷制备超疏水悬浮液，能通过简单的喷涂技术增大玻璃表面粗糙度。制得粗糙的低表面能玻璃板，获得超疏水表面，使液滴形成球状。

通过改变玻璃(基面)倾斜角度实现水珠“行走”，增强实验趣味性。当固体表面存在一定的倾斜角度时，在自身重力的影响下水滴能够不借助外力滚动，最小的倾斜角就是该表面的滚动角α (图 4)。当滚动角低于10°表现为超疏水性^[7]。

本实验通过改变固-液表面的表面能和粗糙程度制备超疏水材料，并进一步将超疏水材料与化学“红绿灯”实验相结合，合理利用滚动角实现滚珠上板“行走”，增强实验趣味性。

靛蓝胭脂红(C₁₆H₈N₂Na₂O₈S₂)是一种特殊的氧化还原指示剂和酸碱指示剂，在氧化还原反应和酸碱作用下，能够显示多种颜色，不同化学反应体系中的颜色(图 5)。本科普实验条件控制在11.4 < pH < 13，靛蓝胭脂红溶液能在葡糖糖和氧气竞争作用下，发生绿色、红色和黄色的相互转化，颜色转换能持续发生，直至溶液中的还原剂(葡萄糖)消耗完毕，故本实验称为靛蓝胭脂红的“红绿灯”实验^[8]。

由于葡萄糖是一种多羟基醛，静置溶液，溶液中溶解的氧气会逸出，最高氧化态缓慢还原为最高还原态，肉眼观察到的颜色便由相应的绿变为红最终变为黄，并不断地循环，直至耗尽所有的氧气和葡萄糖。

本实验溶液(红绿灯实验)变色受温度、pH、靛蓝胭脂红溶液浓度影响，调节不同的条件即可观察到靛蓝胭脂红溶液不同的颜色变化，靛蓝胭脂红化学结构及其溶液变色如表 1所示。

实验所用的试剂及材料详见表 2。

实验所用仪器见表 3。

通过对拨水剂各组分比例的优化，我们发现提高二氧化硅的比例有助于提高材料表面的疏水性能，并得到各组分的最佳配比，具体配制过程为：称取0.20 g三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷和5.0 g乙酸乙酯至10 mL小烧杯中，配制得到3.85% (质量分数，下同)三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷的乙酸乙酯溶液。再称取0.20 g甲基硅油和0.80 g乙醇，配制得到20.0%甲基硅油的乙醇溶液。取100 mL烧杯，将上述两种溶液混合均匀，再依次加入6 mL乙醇和24 mL 2%纳米二氧化硅的乙醇分散液，并用乙醇定容至60 mL。最后，将所得悬浊液转入100 mL喷瓶中，得到拨水剂。

取一块玻璃板，用去污粉将玻璃表面洗净，晾干；一半玻璃板用配制好的拨水剂均匀地喷涂，自然晾干(3 min)，再用滴管滴水进行效果演示。可以看到：当将水滴在普通玻璃板上时，不能成形，变成“一滩水”，而滴在另一半经处理得到的超疏水玻璃板上时，则能够形成一颗颗水弹珠，具有弹性，还能够自由滚动(图 6)。

在150 mL锥形瓶中依次加入10 mL 0.050%靛蓝胭脂红溶液，35 mL 0.5 mol·L⁻¹ NaOH溶液，5 mL 1 mol·L⁻¹葡萄糖溶液，震荡锥形瓶使其充分混合。静置观察现象(图 7)。在观察到溶液出现“绿色–红色–黄色”的颜色变化后，迅速用滴管吸取溶液滴加在喷涂有疏水剂的玻璃板上。用滴管拖动液滴，使其排列组合成具有一定意义的图案。可以观察到，呈现的作品像红绿灯一样变换颜色，吸引眼球(图 8)。

接触角测量可知：水在普通玻璃板表面的接触角为100° ± 1° (图 9a)，而在超疏水玻璃板表面的接触角则能够达到148.2° ± 1.7° (图 9b和9c)，具有超疏水性。这一现象是由于表面的微纳米结构和三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷的修饰共同引起的。

固体表面的微观几何结构和物质的理化性质对超疏水性起到重要的作用，是产生高接触角的原因。图 10a是超疏水玻璃板表面的扫描电镜(SEM)照片。从图中可以看到，玻璃板表面由许多微米级颗粒构成，这些颗粒表面覆盖着纳米级的二氧化硅，微米加纳米的双重结构有利于增大水滴在玻璃板表面的接触角。同时，三氯(1H, 1H, 2H, 2H-十七氟癸烷基)硅烷的疏水基团趋于表面(图 10b)，具有降低表面能，增大表面张力的作用，提高了超疏水性能。

取一块具有超疏水性质的玻璃板，将黑烟末粉体撒在玻璃板表面，再将玻璃板倾斜，在上方用滴管滴加一滴清水。我们可以观察到：水珠在快速滚落的过程中迅速将黑烟末粉体“裹挟”带离玻璃板表面，达到自清洁的效果(图 11)。

化学学科核心素养立足于现代生活和未来发展的需要，是学生在学习化学知识和参与化学实验中形成的关键能力与必备品格，它的提升依靠于科学普及这片“沃土”。本实验的设计理念也是为了提高学生的化学素养，通过科普自然界中神奇的超疏水原理，启迪学生该原理在生活中的应用，从而提高学生的创新能力与创造能力。

本实验可以在小学、中学、社区甚至是广场中展开。实验操作简便，对生活抱有好奇，期待新知识和科学乐趣的人群都可以参与。本科普实验操作简单，只需要将水滴滴在喷涂有拨水剂的玻璃板上，即可观察到弹跳的球状水珠和“红绿灯”。

互动方案：

① 向科普人群展示荷叶的超疏水现象。

② 让参与者制作能使物体具有疏水性的拨水剂。

③ 将制作好的拨水剂均匀喷涂于一半的玻璃板上，静待干燥后(3 min)，用滴管滴入水滴，观察比较水滴在普通玻璃板上和超疏水玻璃板上的形态差异，在喷有拨水剂的玻璃上能够观察到“弹跳水珠”现象。

④ 将滴入的水珠更换成靛蓝胭脂红和葡萄糖的混合溶液，再加入氢氧化钠溶液，改变玻璃(基面)倾斜角或者用玻璃棒“牵引指挥”，观察水滴在行走过程中的颜色变化。

⑤ 用上述靛蓝胭脂红溶液绘画，即可看到作品像红绿灯一样变换颜色，体现化学之趣、化学之美，吸引眼球。

本实验通过让参与者了解自然界的超疏水现象及其科学原理，将超疏水材料制备与基于靛蓝胭脂红的“红绿灯”实验结合进行科普，设计并进行了行走的“红绿灯”实验，展示化学之美、化学之趣，具有良好的创新性。同时，通过让参与者制作超疏水表面和行走的“红绿灯”，增强参与者的动手体验感。另外，我们对拨水剂的制备进行了优化，使玻璃表面产生了更好的疏水性能，增强实验的视觉效果。

本科普实验的创新点为：优化拨水剂的制备条件，制作超疏水表面，并将其与“红绿灯”实验结合，实现了“红绿灯”的行走，以此展示自然界超疏水现象及其科学原理。实验具有如下特色：

(1) 实验绿色：实验安全、操作简单、无有毒物质产生。

(2) 实验趣味性高：通过制作精美的超疏水“红绿灯”作品，让水珠在玻璃板上跳动，试剂瓶中静止的色彩开始“鲜活”起来，形成一幅幅美丽的图画，将化学以艺术的形式呈现在人们眼前，趣味性高、观赏性强，让人们感受到化学之美、化学之趣。

(3) 实验科普性强：用科普实验展示大自然神奇的超疏水现象，使学生了解自然界超疏水现象背后的科学原理，提升学生的科学认知和素养，激发科学探索的兴趣，增强创新和创造意识，实验科普性强。