生物表面结构与疏水性能研究

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1、专业资料生物表面结构与疏水性能研究王玮琦3110101712摘要：本文总结了疏水性的表征参数、影响因素及两种描述超疏水性能的经典模型。综述了目前研究的植物及昆虫表面结构与其疏水性能的关系。简要介绍了仿生疏水材料的制备方法及应用领域。通过上述内容，概括了目前该领域研究存在的一些问题并探讨了今后的研究发展方向。关键词：植物昆虫表面多级结构疏水性word完美格式专业资料自然界的生物经过亿万年优胜劣汰的进化，优化出各种形态、构型、结构和材料，展现出多种多样的功能特性，成为对生存环境具有最佳适应性和高度协调性的系统[1]。这其中蕴含的奥妙吸引人类不断的探索、学习和模仿，

2、以求解决人类生产生活中遇到的各种问题。自1977年以来，关于动植物体表疏水性能的研究一直备受关注。许多植物和昆虫的体表所具有超疏水、自清洁及定向浸润等优异性能，与其复杂的分级图案化表面设计有关。例如著名的具有自清洁功能的荷叶表面显示出多级结构，其表面的层次是微米结构和纳米结构多阶层自组装相结合而实现的[2]。这种功能性生物表面对于仿生自清洁材料的制备和发展具有极大的启示和潜在的应用价值。目前，已有大量的研究结果表明，生物体表的疏水性来源于其微纳米结构特性，且微米与纳米层次的结构在决定生物体表浸润性上也起到各自不同的作用[16]。1疏水性研究背景1.1疏水性强弱

3、的表征参数疏水性是指物体表面对水具有排斥能力的性能。通常把与水的接触角大于90°的固体材料表面称为疏水表面，大于150°则称为超疏水表面[3]。一个表面疏水性的强弱通过接触角、滑动角、接触角滞后等参数来衡量。其中，接触角是衡量固体表面浸润性最常用的标准。滑动角是指液体离开固体表面时的最小倾斜角，接触角滞后是前进接触角（指水滴开始滑动时后缘的最大接触角）与后退接触角（指水滴开始滑动时前缘的最小接触角）之差[4]。1.2疏水性强弱的影响因素疏水性是固体表面的重要特性，主要是由表面化学物质和微观结构共同决定的，其中，表面微观结构起到更决定性的作用[5]。目前主要研究

4、的微观表面结构有一级结构、多级结构、分形结构、孔结构及皱纹状结构等。在导致固体表面的超疏水性能的各种因素中，表面能和表面粗糙度是主要的因素。当表面能较低、粗糙度较高时，相对而言，该固体表面具有较高的疏水性。此外，固液气三相接word完美格式专业资料触线的形状、稳定性及连续性等[6,7]对固体表面的疏水性也有很重要的作用。1.3疏水性理论经典模型目前主要有两种理论来描述材料表面的疏水状态：一种是Wenzel态，是指液滴进入固体微结构内部的超疏水状态[8]；另一种是Cassie-Baxter态，是指固体表面的微结构被空气占据而液体不进入固体表面的微结构中的超疏水状

5、态[9]。Wenzel方程表示为：cosθW=rcosθY(1)式中r定义为粗糙度，θW和θY分别是Wenzel状态下粗糙表面的接触角和Young氏接触角。Cassie-Baxter方程则表示为：cosθCB=(-1)+f(rcosθY+1)(2)式中θCB和θY分别是Cassie-Baxter接触角和Young氏接触角，r是粗糙度，f是液体所占投影面积比。而在实际的研究过程，Wang等人认为液滴在超疏水表面的状态可归纳为5种模型：Wenzel状态，Cassie状态，荷叶状态（一种特殊的Cassie状态），Wenzel和Cassie之间的转变状态，壁虎状态[1

6、0]。具体模型如图1所示。图1超疏水表面的状态a:Wenzel状态；b:Cassie状态；c:荷叶状态（特殊的Cassie状态）；d:Wenzel和Cassie之间的转变状态；e:壁虎状态2植物表面结构与疏水性能研究1997年，Barthlott和Neinhuis通过观察发现，许多植物叶片上不同微结构（绒毛、表皮褶皱和蜡状晶体）构成的粗糙表面协同疏水的表皮蜡质共同导致其表面的防水性能，而且，能够伴随水滴带走污染颗粒，构成自清洁表面，被称为“荷叶效应”[11]。基于对200种防水植物物种的调查研究，给出了防粘附植物表面的微型态特征。那些能够长效防水的叶片具有独特

7、、显著的凸面或乳突状表皮细胞，而且覆盖有非常密集的蜡质层；而那些只能在有限的时间内防水的叶片只有微凸起的表皮细胞，通常缺乏密集的蜡质层。此外，具有防水性能的物种都集中生活在草丛中，而罕见生活在树木上。亚热带地区的湿地和受扰动区似乎具有更多的防水物种。植物表面非光滑结构通常包括表皮细胞形态及分布，表皮毛被、表皮蜡、表皮粉的化学性质及单元体的形态、分布规律，直接影响着叶表面的疏水、防黏效果[12,13]。2.1荷叶表面疏水性研究荷叶是一种半水生植物，生长有直径可达30cm且具有优异防水性能的盾形叶片。为了适应水生环境，荷叶的气孔通常位于上表皮。由覆盖着密集蜡质层的

8、乳突构成的分级结构，是荷叶超疏水性能的