荷叶效应的研究_刘双平

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1、第30卷第9期大学物理Vol．30No．92011年9月COLLEGEPHYSICSSep．2011殻櫍櫍櫍櫍櫍櫍殻櫍櫍殻大学生园地櫍櫍櫍櫍櫍櫍殻荷叶效应的研究刘双平，俞熹(复旦大学物理系，上海200433)摘要:荷叶效应源于物体表面微米－纳米结构带来的超疏水性．本文通过较为简便的实验装置，研究了超疏水表面的水滴形态;在MATLAB环境下，利用图形工具箱(IPT)对数字图像进行处理;结合Runge－Kutta算法和Newton－Raphson迭代法，通过拟合Young－Laplace方程实现了对接触角较高精度的

2、测量;并在此基础上，定性地研究了Wenzel态和Cassie态下水滴润湿性质的不同以及超疏水表面对于不同粒度的沙粒的自清洁能力，对认识荷叶效应这一自然界中的常见现象提供了简便而直观的方法．关键词:荷叶效应;超疏水;自清洁;接触角;Young－Laplace公式;数字图像处理中图分类号:O414．1文献标识码:A文章编号:1000-0712(2011)09-0050-05荷花(NelumboNucifera)“出淤泥而不染”(《爱相关特性以及相关演示实验的设计设置了很高的门莲说》，周敦颐)，这一现象源于荷叶所具有

3、的独特槛．本文通过组合一些常见的简便仪器，观察到微小的“荷叶效应”:水滴能在荷叶表面自由地滚落，同液滴在超疏水表面的形态，并结合MATLAB的数字时带走其表面的灰尘和杂质．荷叶的这种自清洁效图像处理技术较为精确地测量出了相应的接触角;应与荷叶表面的超疏水性有着密切联系;W．Bar-同时对该超疏水表面对于不同粒度灰尘的自清洁能［1］thlott等通过对荷叶表面结构的观察和分析，揭示力进行了定性的研究．该实验装置和流程简单易行，了荷叶表面的微米和纳米级的结构是导致超疏水性同时结合了定量和定性研究两种实验方法，对学生

4、以及自清洁效应的关键(见图1)．这一发现对于仿进行荷叶效应的初步探究以及相关教学演示实验提生学有着重要的意义:通过模仿荷叶的表面结构，人供了很好的解决方案．［2-4］们可以制备出人造超疏水表面，并由此衍生出大2荷叶效应的物理基础［5，6］量的实际应用，如建筑表面的防水防尘，衣物的防污等．2.1接触角与液滴形状的描述接触角是指水滴在与固体接触时，接触处的切线与固体表面所成的角，如图2(a)所示．当这个接触角不小于150°时，该固体表面可以认为是超疏水［7］表面，见图2(b)．固体表面的液滴形状可以用Young－L

5、aplace公图1荷叶表面电镜照片及结构示意图［1］式描述:11Δp=γ(R+R)(1)因此，研究荷叶效应的特性对于认识物体表面12式(1)中Δp是液滴表面的压强，γ为水的表面张力，的润湿性及其在实际中的一些应用很有帮助．目前市场上用来研究表面润湿性的仪器价格较为昂贵，R1和R2为液滴某一点的两个主曲率半径．对于轴对称液滴，只需取出液滴沿固体平面垂直轴的一个截且使用方法比较复杂，这就为初步研究荷叶效应的面进行研究．重力场中的液滴表面某一点的压强差收稿日期:2010－08－08;修回日期:2011－03－11基金

6、项目:国家基础科学人才培养基金(J0730310)资助作者简介:刘双平(1988—)，男，湖南长沙人，复旦大学物理系2006级本科生．第9期刘双平，等:荷叶效应的研究51图2接触角示意图图42．3自清洁效应自清洁效应实际上是超疏水表面的动态润湿行为．当水滴在超疏水表面运动时，其一定处于Cassie态(在Cassie态下，水滴与固体表面接触的表观面积中有很大一部分实际上是与空气直接相接触，因而当水滴发生运动时，摩擦阻力相对较小)．此外，水滴的表面张力使得其形状接近于球体，因此水滴在超图3轴对称液滴几何分析疏水表面

7、上的运动类似于球体的滚动．当水滴遇到尺寸相对其自身直径较小的杂质时，其对于杂质的由两部分组成:一部分是高为z1处(P点)液体的压粘附作用(表面张力)远大于固体表面对该杂质的强Δpz=(Δρ)gz1，Δρ为液面两相的密度差;另一部粘附作用，于是可以将杂质吸附于液体表面并逐渐分是液滴顶部(图2中O点)的压强Δp0．由轴对称将其包裹在液滴内部，使之随液滴的运动一起运动条件可知，R1=R2=R0，因此Δp0=2γ/R0．因此，由(见图5)，从而实现了杂质的清除即自清洁效应．压强平衡Δp=Δpz+Δp0以及几何关系R2s

8、in=x1［8］可以整理得到:1sin2γγ(R+x)=R+(Δρ)gz1(2)110其中x1、z1为图3中的相应坐标，g为重力加速度，为过曲线上某一点的切线的斜率值．式(2)是对液滴形状进行拟合的理论基础．图5自清洁效应示意图2．2液滴形成的状态:Wenzel态和Cassie态为了描述粗糙表面上液滴的接触角，R．Wen-3实验器材和装置［9］［10］zel和A．Cassie分别