自然界超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用淺析 - 圖文

1、自然界超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用淺析 - 圖文 自然界超疏水現(xiàn)象及應(yīng)用淺析 老子在道德經(jīng)里面說：“人法地，地法天，天法道，地法自然”，意思就是說萬事萬物的運行法則都是遵守自然規(guī)律，事物的一切都蘊含于自然中。自然界中的生命已通過了近四十多億年的進化完成了智能操縱的所有過程，無論是從單細胞生物演化為復(fù)雜的多細胞動物，還是從猿到人，自然無不向我們展示著它驚天的偉力。大自然中的很多現(xiàn)象由于它們自身的特質(zhì)都足以引起人們的關(guān)注和學習。而自然界中荷葉表面的自潔和水黽浮水所體現(xiàn)的超疏水現(xiàn)象收到了人們的廣泛關(guān)注，超疏水表面也已經(jīng)成為表面研究領(lǐng)域的一個熱點。 一表面潤濕基本原理 1.潤濕性及接觸角 潤濕性是指固體界面由固-

2、氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象，固體表面的潤濕性可以用接觸角（coniact angle）的大小來衡量，接觸角是指在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角（如圖1所示）。 圖1: 固體表面液滴的接觸角示意圖 接觸角越小，表面潤濕性能越好。通常將90定為潤濕與否的標準，將接觸角大于90的表面稱疏水表面，小于90的表面稱親水表面，超疏水表面則是指與水的接觸角大于150的表面。 2. 表面潤濕性的影響因素 表面的潤濕性的好壞一般由接觸角衡量，1805年thomas young首先提出，在理想的光滑均勻的固體表面上，平衡接觸角與三個界面張力之間有如下關(guān)系: cos?=（?sv-?sl

3、）/?lv 其中，?是接觸角，?sv、?sl、?lv分別為體系中固-氣、固-液、液-氣界面張力。這是因為液滴在理想光滑表面上的接觸角主要由固體的表面自由能決定，通常是固-液-氣三相接觸線上三種不同表面張力共同作用的結(jié)果，三種表面張力在界面方向達到力學平衡。 應(yīng)當指出，楊氏方程的應(yīng)用條件是理想表面，即指固體表面是組成均勻、平滑、不變形(在液體表面張力的垂直分量的作用下)和各向同性的。然而實際上這種理想平面是不可能存在的，因此在考察表面的潤濕性時，需要考慮表面的粗糙度。wenzel和cassie兩人分別對楊氏方程進行了拓展，將液滴在固體表面接觸角和表面粗糙度進行了關(guān)聯(lián)，使它們的適用范圍更接近真實的

4、表面。 任何固體表面都不可能絕對光滑，對于實際的固體表面，必須考慮表面粗糙度對其潤濕能力的影響，早在1936年wenzel就認識到這一點，他認為當液滴和固體表面接觸時，液體完全充滿了粗糙表面上的縫隙（wenzel模型），它們之間的接觸僅為固-液接觸（又稱為“濕接觸”），如圖2.b所示，wenzel對楊氏方程做了如下的修正: cos?w=（?sv-?sl）/?lv=rcos? 此式即為著名的wenzel方程，式中r定義為粗糙度，是指實際的固-液界面接觸面積與表觀固-液界面接觸面積之比，?w是wenzel狀態(tài)下粗糙表面的接觸角，為相應(yīng)的理想光滑平面的接觸角，又叫做本征接觸角或者固有接觸角（inir

5、insic contact angle）。wenzel方程表明，粗糙表面的存在使得實際上固-液的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，于是在幾何上增強了疏水性（或親水性）。即: 90時?w隨著表面粗糙度的增加而變大，表面變得更疏水。 1944年，cassie與baxter在研究了自然界植物及鳥類羽毛的防水性后，對超疏水表面提出了一種不同于wenzel模型的新模型cassie模型。他們認為在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合接觸。假設(shè)固體表面是由兩種物質(zhì)1和2組成，這兩種不同成分的表面是以極小塊的形式均勻分布在表面上的（每一小塊的面積都遠小于液滴的尺寸）。它們的本征接觸角分別用1和2表示，在單位面積上所占

6、的表面積分數(shù)分別為f1和f2（f1 + f2 = 1），這樣cassie接觸模型可以用以下公式進行描述: cosc = f1cos1 + f2cos2 此式即cassie - baxter方程，也適用于具有多孔的物質(zhì)或者粗糙至能截留空氣的表面，此時表面由固體物質(zhì)及空氣組成。當表面結(jié)構(gòu)疏水性較強時，cassie及baxter認為，在疏水表面上的液滴并不能填滿粗糙表面上的凹槽，在液滴下將有截留的空氣存在，于是表觀上的固-液接觸面其實是由固體和氣體共同組成（見圖2.c），此時f1為固體部分的表觀面積分數(shù)，1即為相應(yīng)的理想光滑平面的接觸角，f2為截留空氣部分的表觀面積分數(shù)（f1 = 1 f2），由于空

7、氣對水的接觸角2 = 180，因此上式可以變?yōu)? cosc = f1cos1 + f2 - 1 c是cassie狀態(tài)下粗糙表面的接觸角。當f1 = 1，即與液體接觸的全部部分都是固體表面，在公式中再引入粗糙度系數(shù)rf，此時cassie公式即變?yōu)閣enzel公式。 當把cassie公式和wenzel公式聯(lián)立，解出接觸角，即為wenzel-cassie潤濕模型過渡狀態(tài)（圖2.d）所得出的公式。 圖2：(a)楊氏模型 (b) wenzel模型 (c)cassie模型 (d)wenzel-cassie潤濕模型過渡狀態(tài) 二自然界的超疏水現(xiàn)象 科研人員研究發(fā)現(xiàn)荷花葉子的表面覆蓋有長鏈烯烴類的低表面能的物質(zhì)，并且具有粗糙的表面結(jié)構(gòu)。開始科研人員認為這種現(xiàn)象是由于荷葉表面上覆蓋的白色蠟狀物質(zhì)決定的，用肉眼就能觀察的到的一層蠟狀突起物質(zhì)，能用手感覺得到。用掃描電子顯微鏡觀察，可以看到其表面的結(jié)構(gòu)是絲狀或絨狀，且在荷葉的上面和下面都有分散。水珠在荷葉的反面無法形成球狀自由的滾動，只能留在荷葉的中部。用掃描電子顯微鏡觀察，能看到荷花葉子的表面具有很多微小的突起，這種微小的突起的尺寸大概在微米級左右，在這種微小的微米級的突起上面，又覆蓋了不少納米尺寸的凸起（如圖3）