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1、评述第49卷第17期2004年9月表面微细结构制备超疏水表面*郑黎俊乌学东楼增吴旦(上海交通大学化学化工学院,上海200240.*联系人,E-mail:xdwu@sjtu.edu.cn)摘要超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150˚的一种特殊表面现象,本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型:Wenzel模型和Cassie模型,讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel和Cassie两种状态之间的内在联系.Wenzel和Cassie是两种可以同时共存的超疏水状态,在一定条件下可以实现从Cassi
2、e到Wenzel状态的不可逆转变,而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质.概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略,并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望.关键词微细结构表面自洁表面接触角超疏水性粗糙度[6]表面润湿是固体表面的重要特征之一,也是最的研究中发现,自然界中通过形成超疏水表面来达为常见的一类界面现象,它不仅直接影响自然界中到自洁功能的现象更为普遍,最典型的如以莲叶为[7]动、植物的种种生命活动,而且在人类的日常生活与代表的多种植物叶子的表面(莲叶效应Lotus-ef-工农业生
3、产中也起着重要的作用.润湿性可以用表fect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等等,面上水的接触角来衡量,通常将接触角小于90˚时的这是大自然对我们的暗示.通过观察和研究发现,此固体表面称亲水表面(hydrophilicsurface),大于90˚类表面上除了具有疏水的化学组分外,更重要的是称疏水表面(hydrophobicsurface).近年来,随着微纳在微观尺度上具有微细的粗糙结构.如图1所示,电米科学技术的不断发展,以及越来越多的行业对特子显微镜下,荷叶表面具有双层微观结构,即由微米殊表面性能材料的迫切需
4、求,人们对微观结构在生尺度的细胞和其上的纳米尺度蜡状晶体两部分组成;命科学和材料科学中的应用有了更多的认识,对于蝶类翅膀上的粉末由100µm左右的扁平囊状物组成,固体表面微细结构与润湿性之间的关系也有了更深囊状物由无数对称的几丁质(chitin)组成的角质层构[1,2]入的理解.成,其表面并不光洁,这就是蝴蝶常具有色彩斑斓的[8]对润湿性可控表面研究的重大进步,使得制备结构色以及较好的疏水性的原因;水鸟类羽毛也具[3]无污染、自清洁表面的梦想成为了现实.自洁表面有微米或亚微米尺度的致密排列,同时具有较好的一般可通过制备
5、超亲水或超疏水表面两种途径制得:透气性和疏水性.[4]Wang等利用紫外光诱导产生的接触角接近0˚的超固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结亲水TiO2表面,这种表面材料已经成功地被用作防构共同决定.众所周知,润湿性能主要受固体表面化[5]雾及自洁的透明涂层,其机理为液滴在高能表面上学组成的影响,固体表面自由能σSG越大,就越容易铺展开形成液膜,然后通过液膜流动,夹带表面污物被一些液体所润湿,反之亦然.所以寻求和制备高表运动而起到自洁的功能;而科学家在对动植物表面面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超亲水图1(a)
6、荷叶表面的双层结构;(b)蝴蝶鳞片的排列以及鳞片表面的微观结构;(c)羽毛的微观结构www.scichina.com1691第49卷第17期2004年9月评述和超疏水的前提要求,因此金属或金属氧化物等高1微细结构表面上液滴的形态分析能表面常用来制备超亲水表面,而超疏水表面的制固体表面液滴的接触角是固、气、液界面间表面备常需在表面覆盖氟碳链或硅烷链来降低表面能.张力平衡的结果,液滴的平衡使得体系总能量趋于但是在光滑表面上光采用化学方法来调节表面自由最小[13],因而使液滴在固体表面上处于稳态(或亚稳[3]能,通常仅能使接
7、触角增加到120°,而不能再高.态).光滑且均匀的固体表面上的液滴,其三相线上要达到更高接触角,就必须设计材料的表面微细结的接触角一般服从Young’s方程:构.具有微细粗糙结构的表面(相对小于液滴的微米σSG=σσSL+LGcosθe,(1)尺度)将能有效地提高疏(亲)水表面的疏(亲)水性能,式中σSG,σSL,σLG分别是固/气、固/液、液/气间的界这一现象早在19世纪就已被发现,有不少理论假设面张力.按照Taylor[14]对液滴形态的描述,液滴在表的提出以及数学模型的建立来解释和描述它,但是面的高度为h=2as
8、in(θ*/2),其中a为液体毛细高度,还存在很多复杂的情况以及理论和研究技术的缺陷,1/2a=(σ/ρg),σ为液体表面张力(水的a=2.7mm),所以自发现后多次被研究者们所“遗忘”.随着技术这说明除了受三相线上的各种表面张力的影响外还的进步,先进的表面处理技术例如激光、紫外、等离受重力g的作用,只有当液滴足够小时,g才可以忽
