仿生納米超疏水表面

1、仿生納米超疏水表面1固體表面的潤(rùn)濕現(xiàn)象與超疏水表面1.1 靜態(tài)潤(rùn)濕當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，液體會(huì)沿著固體表面向外擴(kuò)展，同時(shí)系統(tǒng)中原來(lái)的固氣界面和液氣界面逐漸地被新的固液界面取代，這一過(guò)程稱為潤(rùn)濕。到達(dá)平衡時(shí)，在氣、液、固三相交界處，氣-液界面和固-液界面之間的夾角稱為接觸角，用。表示。它實(shí)際是液體表面張力和液-固界面張力間的夾角。接觸角的大小是由在氣、液、固三相交界處，三種界面張力的相對(duì)大小所決定的。從接觸角的數(shù)值可看出液體對(duì)固體潤(rùn)濕的程度，習(xí)慣上將液體在固體表面上的接觸角？=90°時(shí)定義為潤(rùn)濕與否的標(biāo)準(zhǔn)，？>90°為不潤(rùn)濕，?<90°則為潤(rùn)濕，接觸角?越

2、小，潤(rùn)濕性能越好。特別地，靜態(tài)接觸角小于100靜態(tài)接觸角大于150°的固體表面稱為超疏水表面。圖1固體表面的潤(rùn)濕圖2幾種不同類型的潤(rùn)濕情況gwRepellingSnreadmitG-QrM七mngHydrophilicityHvdropbiohicty圖3幾種不同的潤(rùn)濕狀態(tài)的接觸角1.2 動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕（動(dòng)態(tài)接觸角滯后反映液滴在平面上滑動(dòng)的難易程度）圖4動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕（粘貼到PPT中能動(dòng)）對(duì)于在傾斜的固體表面上運(yùn)動(dòng)的液滴而言，在運(yùn)動(dòng)方向前后液滴的動(dòng)態(tài)接觸角存在著差異，前面的動(dòng)態(tài)接觸角最大，稱為前進(jìn)接觸角？?？后面的動(dòng)態(tài)接觸角最小，稱為后退接觸角?水滴滾動(dòng)所需的固體表面最小傾斜角稱為滾動(dòng)角？如圖4

3、所示。前進(jìn)接觸角和后退接觸圖5滾動(dòng)角與動(dòng)態(tài)接觸角的關(guān)系固體表面靜態(tài)接觸角的大小介于前進(jìn)接觸角和后退接觸角之間,角的差值稱為動(dòng)態(tài)接觸角滯后（Contactanglehysteresis,?蹙動(dòng)角與動(dòng)態(tài)接觸角的數(shù)量關(guān)系可用如下公式描述：?sin?=?(cos?-cos?(1)式中：m一液滴質(zhì)量W一液滴寬度g重力加速度?一氣液界面表面張力從式中可以看出固體表面的動(dòng)態(tài)接觸角滯后？?颼小，滾動(dòng)角？觸小。固體表面的動(dòng)態(tài)接觸角滯后和滾動(dòng)角的大小反應(yīng)了固體表面對(duì)液體的親和力或者固體表面的剪應(yīng)力，動(dòng)態(tài)接觸角滯后和滾動(dòng)角越大說(shuō)明固體表面對(duì)液體的親和力或者固體表面的剪應(yīng)力越大。1.3 超疏水表面將靜態(tài)接觸角大于15

4、0°,動(dòng)態(tài)接觸角滯后小于10°的表面定義為為超疏水表面。由于超疏水表面有極大的靜態(tài)接觸角和很小的動(dòng)態(tài)接觸角，當(dāng)水滴灑到超疏水表面時(shí)，既不被表面吸附或潤(rùn)濕，也不能在表面停留，會(huì)在慣性和重力作用下順表面下滑。這是種特性是普通的疏水表面所不具有的。（普通的疏水表面只能做到不被水潤(rùn)濕，但是水會(huì)停留在表面上）擁有超疏水表面的固體可以視作完全不潤(rùn)濕，當(dāng)期接觸液體時(shí)，液滴不但不能潤(rùn)濕固體表面，還能帶走固體表面相對(duì)親水的灰塵顆粒，擁有自清潔特性。因此，超疏水材料的應(yīng)用前景十分廣闊，包括電子產(chǎn)片防水防潮、微量注射器針尖防污染、織物表面防水等。圖4超疏水表面的特性圖5荷葉的超疏水表面自然界本身

5、也存在不少超疏水表面，如荷葉、水國(guó)、蝴蝶翅膀等，為科學(xué)家研究超疏水現(xiàn)象和制作人工超疏水表面提供了良好的素材。2表面潤(rùn)濕模型與超疏水表面2.1Young's方程潤(rùn)濕現(xiàn)象反應(yīng)了固體、液體和氣體三相界面之間的相互作用，這種相互作用依賴于固液、固氣和液氣三個(gè)界面張力之間的平衡關(guān)系。1805年，英國(guó)科學(xué)家ThomsonYoung根據(jù)熱力學(xué)平衡理論首次推導(dǎo)出了理想固體表面（光滑、化學(xué)成分均勻）的靜態(tài)接觸角與界面張力之間的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是經(jīng)典的Young氏方程：(2)?CC式中：?-固體表面本征靜態(tài)接觸角?乃?-固氣界面表面張力?為?-固液界面表面張力?私?-氣液界面表面張力由Young氏方程（

6、2）式）可知，通過(guò)改變固體表面的化學(xué)成分（即表面化學(xué)修飾）降低表面自由能可以提高固體表面的靜態(tài)接觸角。但是，使用表面化學(xué)修飾來(lái)降低固體表面自由能是有一定限度的。研究表明，氟化物表面或者經(jīng)過(guò)氟化處理的固體表面具有最低的表面自由能（6.7mJ/m2）,水在光滑的氟化物表面的靜態(tài)接觸角不會(huì)超過(guò)120°。小結(jié)：young's方程模型是描述光滑固體表面潤(rùn)濕的理想模型，該模型說(shuō)明了在理想固體表面接觸角只與固液氣界面的表面能有關(guān)，通過(guò)修飾固體表面化學(xué)成分能在一定程度上提高接觸角，但有一個(gè)極限，難以達(dá)到超疏水狀態(tài)。2.2wenzel理論事實(shí)上，Young氏方程描述的是一種理想的固體表面潤(rùn)濕狀

7、態(tài)。實(shí)際的固體表面都存在著一定的粗糙度，理想的固體表面是不存在的。1936年，美國(guó)科學(xué)家Wenzel拓展了Young理論，并首次提出了粗糙固體表面的潤(rùn)濕理論，即經(jīng)典的Wenzel理論。Wenzel理論假設(shè)液體完全充滿了固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)，在液體下方形成了土勻的固液界面（即Wenzel界面）,如圖1.2（a）所示。在Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)下，實(shí)際的固液接觸面積大于其幾何投影面積，通常將它們的比值定義為固體表面粗糙度因子r,即實(shí)際面積/投影面積。Wenzel利用表面粗糙度因子r將粗糙固體表面的潤(rùn)濕性與理想固體表面的潤(rùn)濕性結(jié)合起來(lái)，推導(dǎo)出了經(jīng)典的Wenzel方程，即?（3）式中：？-固體表面粗糙度因子

8、，？恒大于1?-粗糙固體表面本征靜態(tài)接觸角方程中氏表示粗糙固體表面的靜態(tài)接觸角。因?yàn)椋菏且粋€(gè)大于1的數(shù)，所以由Wenzel方程可知，當(dāng)？<900時(shí)，?<?,同時(shí)？?隨著？的增加而降低；當(dāng)？?>90°時(shí)，？?？同時(shí)？沏著？?的增加而增加。小結(jié)：非理想固體的粗糙表面使得固有親水的固體表面更加親水，固有疏水的固體表面更加疏水，除了修飾化學(xué)成分外，在固體表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)也能獲得靜態(tài)接觸角大于150。的粗糙表面。2.3Cassie-Baxter理論yhCassie'Baxter圖7三種模型對(duì)應(yīng)的潤(rùn)濕狀態(tài)1944年，Cassie和Baxter又進(jìn)一步拓展了Wenzel理

9、論。他們假設(shè)液體沒(méi)有進(jìn)入固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，而是懸浮在粗糙結(jié)構(gòu)之上，如圖7中(c)所示。一部分空氣囊或者空氣層被包裹在液體與固體表面之間，從而在液體下方形成了一個(gè)由固液和液氣兩種界面共同組成的復(fù)合的固液界面(即Cassie-Baxter界面)。在Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)下，粗糙固體表面的潤(rùn)濕性可以使用下面的方程來(lái)描述，也就是經(jīng)典的Cassie-Baxter方程：?=?催?？1)-1(4)式中：？訪?丁固液界面所占面積分?jǐn)?shù)?-氣液界面所占面積分?jǐn)?shù)，?+?1?-固體表面粗糙度因子由Cassie-Baxter方程(式(4)可知，Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)降低了實(shí)際的固液接觸面積，

10、?臺(tái)終大于？，對(duì)于疏水材料，Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)將進(jìn)一步提高其疏水性，增大靜態(tài)接觸角。小結(jié)：Young'方程是一個(gè)針對(duì)光滑固液接觸面的理想模型，Wenzel和Cassie-Baxter方程都是對(duì)實(shí)際的粗糙固液接觸面的模型，Cassie-Baxter模型與Wenzel模型的區(qū)別在于Cassie-Baxter接觸面是固液氣的三相接觸，在Cassier-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)下，固液接觸面面積減小，靜態(tài)接觸角增大。2.4Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)與Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)根據(jù)2.12.3的理論模型，在Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)和Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)下，固體表面都有可能獲得大于150

11、。的靜態(tài)接觸角，然而，處于潤(rùn)濕狀態(tài)下液滴在固體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸角滯后？?？及滾動(dòng)角？卻存在很大的差異。Bhushan等和Nosonovsky等提出，動(dòng)態(tài)接觸角滯后是由固體表面的粘性滯后和表面粗糙度效應(yīng)二者共同引起的，它們之間的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系可用下面的方程來(lái)描述：?部?(1-?(?(5)方程右邊第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于光滑固體表面的本征動(dòng)態(tài)接觸角滯后，其正比于固液接觸面積分?jǐn)?shù)1-?為或者？?第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于固體表面的粗糙度效應(yīng)，其等于粗糙固體表面單位面積內(nèi)凸起的總周長(zhǎng)或者三相線的長(zhǎng)度密度。由方程(4)和(5)可知，降低固液接觸面積可以增加表面靜態(tài)接觸角？私，并有效降低動(dòng)態(tài)接觸角滯后？?2?若考慮極限情況，即固

12、液接觸面積非常小，那么液滴在固體表面的靜態(tài)接觸角就會(huì)很大，而動(dòng)態(tài)接觸角滯后很小，即表面處于超疏水狀態(tài)。由方程(4)和(5)聯(lián)立可得：一?=?/?>?(6)V2(?+?由方程(6)可知，若固體表面處于Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)，關(guān)？?=?1,增加固體表面粗糙度會(huì)增加動(dòng)態(tài)接觸角滯后？?若固體表面處于Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)，0<?%?1,增加液氣界面面積分?jǐn)?shù)不僅可以增加固體表面的靜態(tài)接觸角，而且可以降低動(dòng)態(tài)接觸角滯后?由此可知，只有當(dāng)固液界面處于Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)接觸角滯后？?？能得到有效的減小，Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)對(duì)于構(gòu)建超疏水表面特別是自清潔

13、表面至關(guān)重要。由于Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)對(duì)于構(gòu)建超疏水表面特別是自清潔表面至關(guān)重要，那么為了獲得這樣的表面，我們首先要考慮如何獲得Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)以及如何保持Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)穩(wěn)定性的問(wèn)題。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，通過(guò)施加外力可以促使液滴在粗糙固體表面發(fā)生Cassie-Wenzel潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變，比如電壓、光照震動(dòng)和蒸發(fā)等。令方程（3）和（4）相等，可以得到粗糙固體表面Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)和Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)之間的臨界接觸角氏的表達(dá)式：?2)?1?=?,'""?陶?由于0<?功?<1,?>1,

14、因此由方程（7）可知，?>900。如果固體表面的平衡靜態(tài)接觸角?小于臨界接觸角?即？<?包裹在液滴下方的空氣囊或者空氣層就不能穩(wěn)定地存在，此時(shí)液?I1將會(huì)從Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel潤(rùn)濕狀態(tài)，即發(fā)生了Cassie-Wenzel潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變；相反，如果固體表面的平衡靜態(tài)接觸角？?大于臨界接觸角？?？即？?>?心包裹在液滴下方的空氣囊或者空氣層就能夠穩(wěn)定地存在，此時(shí)液滴處于穩(wěn)定的Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)。因此，若想得到穩(wěn)定的Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)，應(yīng)該盡可能地提高固體表面的靜態(tài)平衡接觸角？，同時(shí)增加固體表面的粗糙度?使得臨界接觸角延遲盡可能地減小。圖界點(diǎn)，當(dāng)本征接觸角小于該值時(shí)

15、，液滴易于處在?乍為分Wenzel模型狀態(tài)，而當(dāng)本征接觸角大于該值時(shí)，液滴易于處在Cassie模型狀態(tài)。需要指出的是，圖中虛線段為非穩(wěn)定區(qū)間，己有實(shí)驗(yàn)表明，在本征接觸角小于臨界角時(shí)液滴仍可能處在Cassie模型狀態(tài)，只是此時(shí)的狀態(tài)極不穩(wěn)定，液滴在一定的外界干擾下將會(huì)向Wenzel模態(tài)轉(zhuǎn)變，并且這種轉(zhuǎn)變很難逆轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中Cassie-Wenzel轉(zhuǎn)變?cè)谕饨鐢_動(dòng)下很容易發(fā)生，而其逆轉(zhuǎn)變Wenzel-Cassie轉(zhuǎn)變卻從未被觀察到。近年來(lái)，世界各地各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。對(duì)于一個(gè)粗糙固體表面，雖然Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)在幾何結(jié)構(gòu)上具有存在的可能性，但是

16、它在系統(tǒng)能量方面可能處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種情況下，高能量的Cassie潤(rùn)濕狀態(tài)會(huì)沿著吉布斯自由能降低的方向轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰康腤enzel潤(rùn)濕狀態(tài)?？偨Y(jié)：1.Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)對(duì)固體表面的超疏水/自清潔特性是至關(guān)重要的，只有當(dāng)固液接觸面處于Cassie-Baxte潤(rùn)濕狀態(tài)時(shí)，液滴的動(dòng)態(tài)接觸角滯后才能得到有效的減小。2.Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)與Wenzel潤(rùn)濕狀態(tài)在一定條件下能互相轉(zhuǎn)化，但是Cassie-Baxter灌濕狀態(tài)處于高自由能狀態(tài)，在外界擾動(dòng)下很容易發(fā)生Cassier-Wenzel轉(zhuǎn)變，而其逆轉(zhuǎn)變很難。3基于仿生學(xué)的超疏水表面研究（研究過(guò)程中納米技術(shù)的應(yīng)用，以及

17、納米技術(shù)對(duì)研究的影響）3.1 自然界中的超疏水表面優(yōu)勝劣汰，適者生存。經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然進(jìn)化，自然界中動(dòng)植物的表面逐漸地形成了特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這些特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)賦予了動(dòng)植物表面獨(dú)特的、優(yōu)異的功能特性，比如超疏水性、自清潔效應(yīng)等。這些獨(dú)特的功能特性使得動(dòng)植物在大自然殘酷的競(jìng)爭(zhēng)中得以生存、普衍。大自然中具有超疏水特性的動(dòng)植物表面很多，其中荷葉、水龜腿、水稻葉、蝴蝶翅膀和玫瑰花瓣是生物超疏水表面的典型代表。下表面長(zhǎng)期浸泡在水中，無(wú)法正常通氣，荷葉的氣孔都轉(zhuǎn)移到了葉片的上表面。為了保護(hù)上表面的氣孔不受雨水、波浪和其他污染的影響，荷葉進(jìn)化出了一種超疏水的表面結(jié)構(gòu)。為了找到一種構(gòu)建Cassie-Baxter

18、潤(rùn)濕狀態(tài)并使其維持穩(wěn)定的方法，科學(xué)家向自然界的超疏水表面學(xué)習(xí)，展開了仿生學(xué)研究。圖10荷葉上的水珠的光學(xué)照片與SEM照片3.2 基于仿生學(xué)的超疏水表面研究對(duì)于生物的疏水表面的研究最早可以追溯到1971年，德國(guó)科學(xué)家IngeborgRentschler在Planta上發(fā)表的文章TheWettabihtyofLeafSurfacesandtheSubmicroscopicStructureoftheirWax,文章研究了73種常見植物葉片表面的潤(rùn)濕情況，測(cè)量了水在葉片表面的接觸角，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)織物表面水滴的接觸角都在160。左右；接著作者用透射電子顯微鏡觀察了葉片表面的結(jié)構(gòu)，提出猜想認(rèn)為是葉片表面的

19、蠟晶及蠟晶團(tuán)簇使葉片具有疏水性。（有部分德語(yǔ)翻譯不出來(lái)沒(méi)看懂）。自Ingeborg對(duì)植物表面疏水性的研究之后，人們對(duì)這種具有極強(qiáng)疏水性且水珠能自由滾動(dòng)的超疏水表面產(chǎn)生了越來(lái)越濃厚興趣，不斷有人發(fā)表有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道其研究進(jìn)展。圖11Ingeborg用透射電子顯微鏡拍攝的葉片表面超薄切片隨著上世紀(jì)70年代開始的納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展熱潮，以及80年代末90年代初隧道掃描顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）及掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀表征技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類對(duì)微觀世界的研究尺度大大縮小，科學(xué)家對(duì)植物的超疏水表面的研究也得到了發(fā)展。1997年德國(guó)科學(xué)家Bathlott在期刊AnnalsofBotan

20、y上發(fā)表了一篇具有要意義的文章，題為CharacterizationandDistributionofWater-repellent,Self-cleaningPlantSurfaces.這篇文章采用了和Ingeborg相似的研究思路，首先測(cè)量了水滴200余種喬木、灌木、蕨類植物的疏水葉片上的平衡靜態(tài)接觸角，然后用電子顯微鏡觀察葉片的表面形貌。與20年前Ingeborg的研究不同的是，Bathlott使用的不是透射電子顯微鏡而是配備LaB6陰極的掃描電子顯微鏡，這使得Bathlott能將小塊葉片噴金后直接進(jìn)行觀測(cè)而無(wú)須對(duì)其切片，最大限度地保存了葉片表面的結(jié)構(gòu)。因此，Bathlott觀察到了遠(yuǎn)比

21、Ingeborg豐富的葉片表面形貌。圖12Bathlott用SEM觀測(cè)的熟睡葉片形貌（比例尺為25Wm）（掃描電鏡SEM獲得的表面形貌信息遠(yuǎn)比透射電鏡TEM豐富）在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的支持下，Bathlott探討了疏水性與蠟層結(jié)構(gòu)以及蠟層與葉片表面關(guān)系對(duì)疏水性的影響，發(fā)現(xiàn)所有葉片表面都覆蓋有蠟質(zhì)層，不過(guò)其分布有所不同，而且?guī)缀跛械闹参锶~片都具有超疏水特性，作者認(rèn)為這有助于防止病蟲害且有利于氣孔中二氧化碳的釋放和氧氣的吸收。這些具有超疏水表面的葉片都有如下幾個(gè)共同特點(diǎn)：（1）每個(gè)表皮細(xì)胞都形成了一個(gè)或多個(gè)微米級(jí)疣狀乳突以增加葉片表面形貌的粗糙度；（2）蠟的納米級(jí)單晶或晶簇均勻地分布在表皮細(xì)胞上形成構(gòu)

22、成葉片表面的二級(jí)結(jié)構(gòu)；（3）葉片表面覆蓋的蠟晶層并不是連續(xù)的，蠟晶與蠟晶之間存在空氣，當(dāng)蠟晶之間被水潤(rùn)濕時(shí)葉片表面就喪失了超疏水性。Bathlott這篇對(duì)于超疏水表面具有重要意義的文章有高達(dá)1470次的引用量。Bathlott得到的結(jié)論為如彳S構(gòu)建穩(wěn)定的Cassie-Baxter接觸面提供了一種可行的思路：對(duì)固體表面進(jìn)行多尺度的分級(jí)處理：先構(gòu)建微米級(jí)的粗糙表面，再在該粗糙表面上均勻負(fù)載疏水納米顆粒，構(gòu)建二級(jí)結(jié)構(gòu)。2004年，Nosonovsky和Bhushan在Bathlott的思路上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，建立了一個(gè)類似的多尺度粗糙表面模型，并基于Caisse-Baxter理論對(duì)該模型的穩(wěn)定性進(jìn)

23、行了研究，從理論上證明了分級(jí)的粗糙表面有利于Caisse-Baxter界面的穩(wěn)定存在。.UnstableequibtoriumSuableequilibriumbft=150°PositionofihtJIft-30°StableTequilibriumfUnMablc圖13Nosonovsky和Bhushan的多尺度粗糙表面模型及其表面能變化2011年，Bathlott作為特邀編輯和Ensikat,Neinhuis等在BeilsteinJ.Nanotechnol.上發(fā)表了篇題為Superhydrophobicityinperfection:theoutstandingpr

24、opertiesofthelotusleaf的文章，從納米尺度闡述了荷葉的多尺度粗糙表面具有疏水性的原因。文章做出了如下結(jié)論：（1）荷葉正面是分為3級(jí)的多尺度粗糙表面，第一級(jí)是表皮細(xì)胞的疣狀乳突，第二級(jí)是覆蓋在表面的蠟晶簇，第三級(jí)是的組成蠟晶簇的蠟納米管；（2）納米蠟管的化學(xué)成分主要是二十九烷二醇（65%）,二十九烷二醇親水的羥基端被納米管包裹在內(nèi)側(cè)，外側(cè)和兩端只露出強(qiáng)疏水的甲基，因此具有很強(qiáng)的疏水性，如圖14所示，同時(shí)，水滴與納米管接觸時(shí)只有最頂端的幾個(gè)原子與水接觸，極大的減小了水與荷葉表面的接觸面積，也就減小了吸附的作用力；（3）數(shù)個(gè)柔軟的納米蠟管以大約15。的角度形成亞微米團(tuán)簇，納米管之

25、間互相支撐，提高了納米管的機(jī)械性能，荷葉上表面的亞微米蠟納米管簇如圖15（a）所示，亞微米蠟納米管簇在荷葉表面密集分布，每10m2上大約分布有200個(gè)納米管簇，亞微米管簇之間的空隙只有數(shù)十至數(shù)百納米，極小的間隙加上納米蠟管的強(qiáng)疏水性使得荷葉表面能達(dá)到Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)；（4）荷葉表皮細(xì)胞的微米級(jí)疣狀乳突形成使得水滴與荷葉表面的接觸面積最小化，乳突與乳突之間的谷則構(gòu)成了氣體的良好通道，使得谷內(nèi)始終與大氣連通，有效的避免了氣液固界面向固液界面的轉(zhuǎn)化，是Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)能穩(wěn)定存在，如圖16,同時(shí)，乳突也為表面的納米蠟管提供了保護(hù)。Bathlott、Ensikat和N

26、einhuis等為自然超疏水表面的形成原理在納米尺度上提供了解釋，也為人工合成多尺度粗糙超疏水表面提供了明確的思路。圖14Neinhuis等根據(jù)X光衍射結(jié)果提出的納米蠟管結(jié)構(gòu)示意圖圖15荷葉表面的蠟納米管簇的SEM照片(a)上表面的納米管簇；(b)下表面的納米管簇adadadad圖16乳突在表面的作用（由于各乳突之間氣體溝通良好，乳突尖端與水接觸時(shí)只會(huì)出現(xiàn)短暫的吸附-沾濕狀態(tài)（如a、b、c）,而人工超疏水表面均與的凸起與水滴接觸時(shí)會(huì)阻斷氣體流動(dòng)，出現(xiàn)才I續(xù)的吸附-沾濕狀態(tài)）4人工超疏水表面的制備（正在翻譯，不用理解，最后做PPT把文字和圖片粘在后面就行了，重點(diǎn)是把前面的內(nèi)容整理成故事）仿生超疏水表面根據(jù)基體材料的差異一般可以分為五個(gè)類型：碳納米管/線超疏水表面，微納米硅結(jié)構(gòu)超疏水表面，聚合物超疏水表面，金屬氧化物納米線/棒超疏水表面和金屬超疏水表面。其的制作方法主要是以下兩個(gè)思路：（1）在固有疏水的固體表面上構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)；（2）在固有親水表面上構(gòu)筑粗糙結(jié)構(gòu)后使用低表面能材料進(jìn)行改性修飾。納米技術(shù)的應(yīng)用使得我們能高效地在固體表面構(gòu)建微納米多尺度粗糙結(jié)構(gòu)，目前主要應(yīng)用的方法有：物理/化學(xué)氣相沉積法、