防腐蚀，自清洁，还能隐身？这种“衣服”可以说非常神奇了
2020/2/25 7:00:00 科学大院
要是每天经受风吹雨打、日晒雨淋，你会想出什么办法？
(图片来源：veer图库)
打伞!涂防晒霜!穿衣服!
建筑物、交通工具直接暴露在环境当中，当然会遭受更大的伤害。它们要穿“衣服”吗？是的，它们要穿的衣服是 “涂层”。
涂层，又称涂料，最常见的就是油漆。常用的涂料的主要成分通常是合成树脂、无机物。然而单一成分的涂料很难保证拥有优异的综合性能，所以往往需要加入填料弥补涂料的缺点。今天，我们就给大家介绍一种添加了特殊材料的涂料——纳米涂料。
石墨烯涂层——防腐蚀的一把好手
我们在生活中经常见到金属被腐蚀，比如钢铁生锈、铜器生铜绿、铝制品长白斑等等。但是你知道吗，每年由于腐蚀造成的经济损失可达上万亿元，占到国民生产总值的3%左右，远比所有自然灾害造成的损失还来得多。
金属被锈蚀(图片来源：搜狐网、veer图库)
防腐蚀的方法很多，像我们中学都学过的阴极保护法、牺牲阳极保护法等等，不过，既有效又简单还省钱的方法就是刷涂料。但就算刷了涂料，也很难保证金属在恶劣环境下不被锈蚀。这时候纳米材料就派上用场了。
所谓纳米材料，就是三个维度中其中一个维度达到纳米尺度的材料。石墨烯是最近几年非常火热的一种纳米材料。石墨烯是由碳原子连接形成的一张二维网，厚度仅有一个原子，是一种二维的纳米材料。因为拥有众多惊人的特性，所以受到广大研究者的青睐。
石墨烯(图片来源：搜狐网)
物质要发生腐蚀，就必须与氧气、水分等腐蚀介质接触。当石墨烯添加到涂料当中，它巨大的平面就像一面墙壁，阻挡氧气、水分这些腐蚀介质的道路，腐蚀介质不得不像走迷宫一样在“墙壁”之间绕来绕去，于是它们在涂层中渗透的路径大大增加，腐蚀的速度就会大大降低。传统的涂料涂覆在物体表面，难免会产生一些裂纹，裂纹的存在会使得腐蚀介质更容易渗透，同时裂纹的扩展会导致涂层的强度降低。而石墨烯可以横亘在裂纹中，不仅可以阻挡腐蚀介质的渗透，还可以阻碍裂纹的扩展，大大提高涂料的使用寿命。
石墨烯涂料的“迷宫效应”(图片来源：Cui, Bi et al. 2019)
中科院宁波材料所薛群基院士和王立平研究员带领的海洋功能材料团队多年来致力于石墨烯重防腐涂料的研制，成功开发了系列石墨烯基沿海储油罐重防腐涂料、导静电防腐涂料、电网塔架防腐涂料、光伏塔架防腐涂料、耐海水防腐涂料和航天国防特种涂料等八大系列防腐和耐磨涂料，并且已经实现规模量产，走在了全国前列。
妈妈再也不用担心地板会脏了
相信大家都会为不小心蹭脏家里的墙壁、一遍又一遍地擦地而烦恼过。以后有了这种纳米涂料，可能就再也不用担心地板会脏了。
纳米涂料能够实现自清洁功能，往往是因为添加了纳米二氧化钛。二氧化钛是一类具有光催化能力的物质，它是一种半导体，和金属这类导体不一样，它们的电子不能自由地移动，因为受到原子核的束缚比较强，它们只能在有限空间中运动，所以通常情况下是绝缘体。在紫外线的照射下，电子可以获得额外的能量，突破原子核的束缚成为自由电子，同时在原来的位置上留下一个空位，这个空位称为“空穴”。有些自由电子和空穴会跑到物体的表面，和氧气、水结合生成具有氧化性的物质，可以轻易地杀死细菌等微生物。
金属和半导体的电子能级(图片来源：维基百科)
将纳米二氧化钛添加到涂料当中，它就具有了光催化能力。如果此时涂料表面有污渍，就会被它们强大的氧化能力所清除，接着雨水一冲刷，就能变得干干净净，于是涂有这种涂料的物体就具有自清洁、抗菌的能力。这种涂料已经应用在卫生工具、瓷砖等多种物体上。一些标有“纳米银离子杀菌”的洗衣机和冰箱，也是利用了纳米粒子的催化能力。
二氧化钛的灭菌原理(图片来源：https://www.lantiantun.com/)
纳米隐身涂料——战斗机的隐形外衣
隐身技术在军事上发挥着越来越重要的作用。要使军事设备实现“隐身”，也离不开涂料，按照功能可以分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、激光隐身涂料等等。
军事上的隐身，并不是“看不见”的意思，而是指尽量降低飞机被敌方雷达、红外辐射等探测系统发现和跟踪的可能性，也就是说隐身后的飞机在探测器看来会变得模糊不清。拿雷达探测来讲，飞机之所以能被雷达探测到，是因为金属制作的飞机对于雷达波的反射率非常高，而它所处的环境——天空，对雷达波反射率则非常小，两者巨大的反差使得飞机在雷达面前就像一面明晃晃的镜子。所以，只要把飞机的雷达波发射的信号降低到和天空一样，就能达到隐身的效果。
俄罗斯陆基GAMMA-DE有源相控阵雷达(图片来源：蝌蚪五线谱)
雷达波的波长有毫米波、厘米波，而纳米粒子的粒径通常为百纳米级或几十纳米级，远远低于雷达波的波长，最终材料对雷达波透过率比常规材料会高出许多；另外，纳米材料的比表面积非常大，面积越大，对波的吸收就越强，因此入射的雷达波则会与纳米涂料发生电导损耗、磁滞损耗、高频介质损耗等等相互作用，把电磁波的能量转化热量散失掉。因此当飞机涂上纳米隐身涂料，通过纳米涂料的透波和吸波作用，最终会使得从飞机身上反射回去的雷达波的强度大大减弱，在雷达看来，飞机与天空融为一体，难以区分，就像穿上了一件隐形的外衣。
美国在隐身技术基础理论和实际应用方面居于世界前列。美国的F -117A 型战斗机机身表面就包覆了红外与雷达波隐身材料, 这种隐身材料含有多种超微粒子特别是纳米粒子, 对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力, 可以有效降低雷达的探测能力。
美国的F117隐形战机(图片来源：https://www.airforce-technology.com/)
结语
纳米涂料的能力可远不止这些。其他如利用纳米粒子对紫外线的散射和吸收能力，可以制作成防紫外线的抗老化涂料、让汽车从不同角度观察到不同颜色的金属闪光面漆等等。
金属闪光变色漆(图片来源：搜狐网)
十几年前，纳米材料曾被炒得热火朝天，热度堪比当今的 “人工智能”、“量子力学”，而如今却悄无声息。其实纳米材料并不是销声匿迹了，而是真正走进了我们的生活。
作者单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
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