分享
想要不沾灰尘的衣服吗?
陈素    来源社团:MoMoKe工作室
得票 0 阅读 272 评论 0

【摘要】荷叶效应,是典型的超疏水现象, 表面的微纳复合结构,起了关键作用,可以使我们更加清楚地了解其中的机理。通过改变润湿性引起接触角的改变,超疏水与超亲水可以相互转换,以及对超疏水耐久性的争议,这都可以让我们更加清楚地了解超疏水的性质 。超疏水在生活中的应用其实是很多的,利用超疏水可以研制出其他功能材料,有益于社会生活,是现在乃至以后的一个研究方向。

                                                想要不沾灰尘的衣服吗?

“不沾灰尘”的衣服,听起来不可思议,但并不是遥不可及的,用黑墨水泼到普通衣服和特制衣服,形成了鲜明的对比,蓝墨汁不沾到纸张上,蛋清与蛋黄不沾到纸张上,可这又是怎么回事呢?下面将揭开奥秘。    图1黑墨水破到普通衣服和特制衣服的对比  图1 黑墨水泼到普通衣服和特制衣服的对比

  图2蓝墨汁不沾到纸张上 图2 蓝墨汁不沾到纸张上

  图3蛋黄与蛋清不沾到纸张上图3 蛋黄与蛋清不沾到纸张上

这个奥秘和超疏水有关,超疏水听着很陌生,但其实生活中,处处可见,蝴蝶翅膀,水蜘蛛可以潜入水,荷叶“出淤泥而不染”等,其实,这些都与动植物身体表面的超疏水性有关系。

 超疏水现象

                                          荷叶为什么“出淤泥而不染”?

自古以来,荷花就是一个称赞对象,象征着高洁品质,鲜花是由绿叶衬托,但作为衬托的荷叶也不能忽视,它也有很多独特之处,不亚于荷花。众所周知,水滴落在荷叶上,会形成近似圆球形的白色透明水珠滚来滚去而不浸润在荷叶上,那这个“珠落玉盘”的奥秘又是怎么回事呢?  图4水珠滴落到荷叶表面动态过程图4 水珠滴落到荷叶表面的动态过程

自然界经过上万年的演变,已经进化得几乎完美,所以自然界是我们的老师,可以从中获得很多意想不到的收获。德国科学家Bathlott和Neinhuis就从植物中得到灵感,研究了数百种植物叶片,并在1997年,首次报道了以荷叶为代表的植物表面不沾水和自清洁现象, 认为自清洁性是由表面微结构的乳突和疏水性蜡状结构共同引起的 。  

2002年,江雷院士课题组进行更深一层的研究,发现微米结构与纳米结构复合而成的结构,有效阻止了水滴往下一层结构的浸湿,认为这种微纳复合的多阶结构是引起超疏水表面的根本原因。C.W.Extrand等人又细致地考虑到荷叶表面微观结构,比如其表面的半球状突起,突起上覆盖着蜡晶体的二级结构,二级结构垂直向外突出,形成无数的锐利边缘,他们从理论上构建了该结构,并模拟荷叶所表现出的接触角和滑动角。

结构决定性质, 超疏水自洁性离不开荷叶表面的微观结构。荷叶看似光滑,但放大观察,可以发现在荷叶微凸表面布满微小的乳突,这种乳突结构用肉眼以及普通显微镜是很难察觉的,每一个微米级乳突上还存在很多直径200nm左右的小乳突,构成了非常复杂的多重纳米级和微米级的超微结构,之间存在纳米级空隙, 空气填充其间。水在荷叶上,由于表面张力和乳突间空气的阻力的作用,水的表面总是趋向于尽可能缩小成球状,接触角平均160° ,几乎不浸润。所以水在其表面的接触面积比一般材料减少了90%多,而且水滴极易滚动,在水滴滚动的同时,就带走了叶子上的尘埃和细菌,从而实现自清洁的功能。

 当然,微结构的结构尺寸、几何形貌和粗糙度等都会对疏水性产生影响,所以荷叶疏水性是多因素共同作用的结果。  图5 荷叶表面具有超疏水性以及自洁的特性图5 荷叶表面具有超疏水性以及自洁的特性

                                             你是否想像蜘蛛侠一样攀岩走壁?

荷叶的微纳复合结构是用来疏水的,粘附力很小,那是不是具备微纳复杂结构的表面吸附性都很小呢?答案显然不是,壁虎,蜘蛛等动物的微米级,纳米级结构,就是个例外,竟然具备很强的吸附能力。

美国电影《蜘蛛侠》,想必大家早有耳闻吧。蜘蛛侠能攀岩走壁,灵活敏捷,并拯救人民和世界,那这位“超级英雄”是如何做到攀岩走壁的呢?                                          

   图6蜘蛛侠攀爬图6 蜘蛛侠攀爬

蜘蛛,壁虎等动物能在光滑的墙壁上行走自如,甚至能贴在天花板上。这表明,它们的脚底与物体表面之间必定存在很强的特殊黏附力,难道是壁虎脚趾能分泌胶水?

通过电子显微镜,科学家们发现壁虎的脚趾上竟然生长着数以百万计的细小绒毛——刚毛,每根刚毛约有100 μm长,顶端都有上千个更细小的分叉。但这种力量究竟从何而来?这道未解之谜,也和复杂的微纳米结构有关,使其具备了极强的吸附和脱附能力。而且与一般粘附材料产生的吸附力不同的是,这种吸附力可以在需要时产生或消失,很是灵活。

       图7微米级阵刚毛微观结构产生高黏附力 图7 微米级阵刚毛微观结构产生高黏附力       

超疏水机理      

                                                        什么是超疏水?

看到这么多例子后,大家在心中是否有个疑问,什么是超疏水,如何解释这种现象呢?在了解超疏水之前,先需要知道接触角。那什么是接触角?顾名思义,就是两个接触面的夹角。气、液、固三相交点处气-液界面切线与固-液交界线之间的夹角称为接触角。接触角是表征疏水性强弱的重要技术指标,接触角越大,疏水性越好。根据图8中所示的三种类型,一般将表面的润湿行为分类为:亲水表面的接触角在0°<θ≤90°以内,疏水表面在90°<θ≤150°范围内,当水接触角在150°<θ≤180°范围内,后者称为超疏水表面,滑动角必须小于10°。非湿润表面的°,接触角则随液体的变化而变化。一般地,水接触角大于150°且滚动角小于10°的固体表面称为超疏水表面。

         图8接触角的三种类型及滚动角 图8 接触角的三种类型及滚动角 

理想光滑平坦的表面是不存在的,实际为粗糙表面。超疏水表面都是微米级,纳米级或者微纳复合的粗糙结构,为了理解粗糙表面的润湿性和疏水性,以及粗糙表面情况下接触角的预测 ,介绍两种模型,即Wenzel模型与Cassic-Baxte模型 。

   本征接触角θ描述固体基面的固有湿润特性,并不随固体表面状况的改变而改变。 针对粗糙表面,Wenzel模型描述润湿状态的水滴底部和整个微结构基底接触,而Cassie-Baxter模型则用于描述水滴底部和微结构部分接触,此时水滴如同坐落在一个空气垫上,如图9所示。

将本征接触角θ代入式中,便得到Wenzel模型接触角θW的计算公式:

cosθw=rcosθ, r=实际接触面积/表观接触面积 

将本征接触角θ代入式中,便得到Cassie-Baxicr模型接触角的计算公式:

cosθc=-1+f(1+cosθ),f=实际接触面积/表观接触面积 

研究人员通过上述分析可知,表面结构的存在虽然不能改变固体基面的固有湿润特性,但是可以影响水滴在固体表面的接触角。水滴处于Wenzel模型状态下接触角小于本征接触角,而处于Cassic-Baxter模型状态下接触角大于本征接触角。对于所有的固体基面来说,表面微结构能够影响水滴在其表面的接触角。

           图9(a)Wenzel模型和(b)Cassie-Baxter模型示意图  图9 (a)Wenzel模型和(b)Cassie-Baxter模型示意图

               

超疏水的延伸

                                                    超疏水与超亲水能否互换?

超疏水与超亲水是相反的功能,就像黑白,水火不相容一样,那实现互换是不是有些匪夷所思?但经过研究发现,这确实是可行的。单一的超疏水功能有时候不能满足应用需求,那么开发更具有实践意义的,将超疏水,与超亲水结合起来,相辅相成。

疏水性,亲水性是因为分子极性的不同,表现出对水的亲和或排斥能力的不同,可以从接触角大致判断出。一般而言,亲水性的水接触角小于90°,疏水性的水接触角大于90°,小于150°,超疏水性的水接触角大于150°,超亲水角的水接触角接近0°。

那么就猜测,通过接触角的转变,可以使超疏水性,超亲水性实现互换吗?

研究人员从固体结构出发,采用选择性激光烧蚀纳米分层结构和化学改性处理,成功制备了超疏水/超亲水混合表面。润湿性由固体表面的几何结构和化学成分共同决定,通过改变润湿性,实现接触角的变化,从而实现超疏水/超亲水的转变。通过纳秒脉冲激光烧蚀,得到超亲水表面,再用低表面能物质十八烷酸 (硬脂酸) 溶液修饰,得到超疏水表面,然后用激光二次烧蚀选择性地去除硬脂酸薄膜,在同一样品表面就可以得到超疏水/超亲水混合表面。

图10超疏水/超亲水混合表面制备过程。(a) 超疏水/超亲水混合表面制备流程示意图;(b) 超亲水、超疏水/超亲水混合表面的样本图10 超疏水/超亲水混合表面制备过程。(a) 超疏水/超亲水混合表面制备流程示意图;(b) 超亲水、超疏水/超亲水混合表面的样本

                                                超疏水表面耐久“争议”之久

超疏水表面的耐久性,一直是个争议性话题,它既有一定的耐久性,比如一种由微米级四足状氧化锌和PDMS复合而成的超疏水柔性材料,该材料具有耐磨、耐刮擦、耐切、耐液滴冲击、耐弯曲、耐扭曲等多重特性;但微纳复合结构又容易遭到破坏,超疏水表面的耐久性就会降低。

金属材料的氧化和腐蚀与环境的湿度有直接的关系,若在材料表面涂覆一层疏水性材料,可有效隔绝水汽,使金属材料具有一定的抗腐蚀性能,使用周期增长。超疏水表面的微纳米结构是其实现超疏水性的关键,但这样的纹理是脆弱的,当材料面临变形、划伤或切割时,很容易被损坏。而在实际应用中总是要受风沙磨损,水流冲击等的影响,就会对超疏水表面造成各种机械损伤,使其失去超疏水性能。超疏水表面由于其表面粗糙致使其局部出现高压力而易破碎,即耐久性不足,这是阻碍超疏水表面迈向大面积应用的最大障碍。

超疏水表面耐久与不耐久性是相对而言的,通过各种方法与手段提高其耐久性,是一个研究重点,研究学者们不懈努力,会通过各种不同方式来提高超疏水表面的耐久性,就请大家拭目以待吧。

在超疏水的基础上,可以附加的功能特别多,比如性质转变、超双疏、催化、油水分离、发光、透光、隐身等等功能,超疏水材料被广泛应用于液体输送、建筑、服装凹、生物医学等领域。研究者们深入研究超疏水的关键因素后,在各种功能材料的表面巧妙地融入微纳粗糙结构和低表面能,实现了多种功能与超疏水的完美融合。

 人们越来越青睐多功能集成的材料,构筑具有多功能协同效果的自修复超疏水超双疏涂层一直是研究目标。在研究领域中,研究人员不仅要创新,学科交叉,还要考虑其实际实践意义,超疏水表面在制备技术及应用方面的成果显著,多种超疏水材料被相继开发出来,这些研究成果证明了人类的智慧,但面对浩大的世界,我们要探索的仍有很多。

参考文献:

1.Barthlott W, Neinhuis C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta.

2.王宇捷. 荷叶效应及其在生活中的应用

3.江雷,冯琳. 仿生智能纳米界面材料

4.EXTRAND  C  W,  MOON  S  I.  Repellency  of  the  Lotus  Leaf:  Contact Angles,Drop Retention,and Sliding Angles.Langmuir

5.郑龙珠,苏晓竞,李红强等.功能性超疏水表面的构建及其应用进展

6.Autumn K, Liang Y A, Hsieh S T, Zesch W,Chan W P, Kenny T W,Fearing R, Full R J.Nature

7.王青 仿生超疏水材料的构建及应用研究 

8.WENZELRN.Resistance of solid surface stowetting by water[J].Industrialand  Engineering Chemistry

9.张 拓,阮 军 荷叶疏水机理与仿乳突固体颗粒在超疏水涂层中的应用研究进展Vol. 49 No. 7Jul. 201

10.何金梅等 高稳定性超疏水材料研究进展

11.刘成宝 李敏佳 刘晓杰等 超疏水材料的研究进展

12.郑志霞,杨焕. 预润湿对激光诱导铝基超疏/亲水表面润湿性的影响

13.蒋帆,赵越,胡吉明 超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

14.李晓,盛丽萍,王宇轩.多功能和耐久性超疏水表面的研制进展.湖南师范大学然科学学报 

15.吴莉莉,刘  勇,张玉红,何培新 耐久性超疏水材料的研究进展

16.周莹,肖利吉,姚丽,徐祖顺 自修复型超疏水材料研究进展

17.林晓雪,张妍,张大帅等超疏水材料制备研究进展

18.梁伟欣. 功能纳米涂料的研究进展

19. 潘瑞, 钟敏霖.超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性.科学通报

20.周冬冬 等.超亲水-疏水组合竖直表面强化蒸汽冷凝传热


-完-
关注科普科幻青年之星计划
科普作品
想要不沾灰尘的衣服吗?
陈素

学校:武汉工程大学

学历:本科

专业:高分子材料

社团:MoMoKe工作室

职业:学生

评委点评 评语汇总

由超疏水现象延伸到对物体表面微结构的介绍,将相关科学原理及技术的应用发展娓娓道来,话题新颖,晓畅易懂,引人入胜。

2020-11-09 22:54 匿名 ——

文章以不沾灰尘的衣服、不沾墨水的纸开篇,结合动图直观展现并引出了对于“超疏水现象”的介绍,吸引读者。全文从结构、机理、耐久性等多方面进行科普,内容全面。

2020-11-08 23:51 匿名 ——

衣服能不沾灰尘吗?作者抛出这一引人好奇的标题,十分具有吸引力。文章内容对其背后的“荷叶效应”进行了解释,同时引深对“亲水性”和“疏水性”等科学知识进行了实力科普。内容陈述表达思路清晰,且大量科学文献的引用十分具有说服力。但这也许使得文章稍显枯燥,作者应在文学手法上有多发挥提升。总的来看,这还是一篇不错的科普文章!

2020-11-03 21:47 匿名 ——

请用微信扫描下方二维码 ×
打开微信,点击底部的“发现”,
使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。

点赞拉票需在微信中进行!

请用微信扫描下方二维码

欢迎登录

记住我忘记密码戳这里

登 录

没有账号点此注册