關(guān)會英,佟以丹,王曉玲

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

潤濕性是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性，是固體表面的重要特性之一。生物體表的諸多性能與浸潤性有關(guān)，如防水、自潔、防粘、防霧等等。因此對生物體表潤濕性能的研究是目前仿生學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域競相研究的一個熱點[1-3]。

自從“荷葉效應(yīng)”被發(fā)現(xiàn)并研究以來，許多具有優(yōu)異的超疏水性能的植物葉片表面被陸續(xù)關(guān)注，如芋頭葉[4]、水稻葉[5-6]、苧麻葉[7]、玫瑰花葉[8]、花生葉[9]、豬籠草[10]等等，盡管產(chǎn)生這一優(yōu)異性能的主要原因是其表面的材質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合作用已經(jīng)取得廣泛共識，但從仿生超疏水表面制備的情況來看，始終與生物原型存在一定差距，所以關(guān)于生物體表超疏水性能機(jī)理的研究始終沒有中斷過。

茭白為多年生挺水型水生草本植物，本文研究了其葉子表面的潤濕性能，通過理論分析與試驗分析相結(jié)合，深入探討了其潤濕機(jī)理。本研究豐富了我們對自然界中存在的植物葉子表面疏水機(jī)理的認(rèn)識，同時也為我們仿生設(shè)計、制備疏水防粘表面提供了很好的啟示。

試驗

1 茭白葉片的潤濕性能表征

用水接觸角(water contact angle，WCA)來衡量，測試方法是將樣品平展并用雙面膠粘在載玻片上，采用滴液法測量，儀器用接觸角測量儀(德國Dataphysics生產(chǎn)， 型號OCA20)，液滴大小為0.005mL，速度是0.001mL/s。

2 茭白葉片結(jié)構(gòu)觀察與分析

樣本表面結(jié)構(gòu)利用體視顯微鏡(Carl Zeiss公司產(chǎn)SteREO Discovery V12型)、掃描電子顯微鏡(日本JEPL生產(chǎn)， 型號JSM-6700LF)及激光共聚焦顯微鏡(LEXT，OLS3000)觀察。 復(fù)眼樣本掃描電鏡觀察首先利用70%的酒精洗去樣品表面外物，戊二醛固定24 h，接著梯度脫水，噴金處理(SBC-12型離子濺射儀)，上鏡觀察。對于體視顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡來說，為了避免葉片表面在光源照射下干燥變形，所以觀察時間應(yīng)盡可能縮短。

討論

3 茭白葉片表面潤濕性能及結(jié)構(gòu)分析

如圖1(a)所示，茭白葉片表面具有優(yōu)異的疏水性能，水滴在葉片表面幾乎成球形，經(jīng)接觸角測量可知其靜態(tài)接觸角可達(dá)151.5±3°，見插圖。且葉片表面沿葉脈方向是平行的亞毫米級溝槽結(jié)構(gòu)，將溝槽表面進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)其表面并不光滑，還有微米級結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。為了表征茭白葉表面的微米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而采用SEM分析，如圖所示，茭白葉溝槽表面分布著大量的凸起結(jié)構(gòu)，見圖1(c)；凸起結(jié)構(gòu)直徑、間距平均約為6μm、13μm，在氣孔位置附近處凸起結(jié)構(gòu)均向氣孔中心傾斜，類似爪狀結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示，將單個較大凸起、氣孔處凸起及溝槽底部凸起放大后，可以看出葉片表面覆蓋一層納米級蠟質(zhì)，見圖1(e)、(f)和(g)；為了獲得比較準(zhǔn)確的形貌信息，尤其是深度信息，利用激光共聚焦顯微鏡試驗對其葉片表面進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖1(h)所示，溝槽寬度及深度分別約為270μm、40μm，溝槽表面凸起高度平均約為6μm。

(a)水滴在茭白葉片表面幾乎成球形，插圖為接觸角測量結(jié)果，其靜態(tài)接觸角可達(dá)151.5±3°；(b)葉片表面沿葉脈方向是平行的亞毫米級溝槽結(jié)構(gòu)；(c)茭白葉溝槽表面分布著大量的凸起結(jié)構(gòu)；(d)凸起結(jié)構(gòu)直徑、間距平均約為6μm、13μm，在氣孔位置附近處凸起結(jié)構(gòu)均向氣孔中心傾斜；(e)溝槽底部單個較大的凸起結(jié)構(gòu)；(f)氣孔附近凸起結(jié)構(gòu)；(g)葉片表面覆蓋的納米級蠟質(zhì)；(h)葉片表面結(jié)構(gòu)3D形貌，插圖為截面形貌輪廓。

圖1 茭白葉表面照片

4 茭白葉片超疏水性能機(jī)理分析

4.1 茭白葉片表面復(fù)合結(jié)構(gòu)對疏水性能影響的討論

(a)溝槽結(jié)構(gòu)模型；(b)凸起結(jié)構(gòu)模型。圖2 茭白葉表面結(jié)構(gòu)分解模型

把葉片看做是兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合，一種是亞毫米溝槽周期結(jié)構(gòu)，溝槽寬度為270μm，溝槽底部寬度為50μm，溝槽深度為40μm，另一種微米級凸起結(jié)構(gòu)直徑、間距平均約為6μm、13μm，如圖2所示。

葉片表面的宏觀形貌是溝槽形，接觸狀態(tài)屬于Wenzel狀態(tài)，其截面如圖3(a)所示，根據(jù)Wenzel方程，

(1)

n表示茭白葉截面溝槽圓弧圓心角，R表示所在圓半徑， D為溝槽周期，D1為溝槽底部寬度。

(a)溝槽結(jié)構(gòu)截面圖；(b)凸起結(jié)構(gòu)截面圖。

圖3 茭白葉表面分級結(jié)構(gòu)截面圖

對茭白葉而言n=180°，R=171μm，溝槽周期D=270μm，溝槽底部寬度D1=50μm，代入式(2)可得，θw=106.1°。而葉片表面微米級凸起結(jié)構(gòu)，接觸狀態(tài)屬于Caasie狀態(tài)，其截面如圖3(b)所示，根據(jù)Cassie方程，

(2)

式中， R2表示凸起微米半球半徑，D2表示微米半球間距，由該式可知，R2/D2越大， θc越小，所以當(dāng)R2/D2為最大值1/2時， θc為125°，當(dāng)R2/D2趨近于最小值0時，θc接近180°，相比于溝槽結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)能夠更大程度地提高疏水性能，可見葉片表面微米級凸起結(jié)構(gòu)對其疏水性能的影響要大于溝槽結(jié)構(gòu)。

茭白葉尺寸代入即R2=6μm，D2=13μm，可得θc=129.2°，說明強(qiáng)疏水性能不是單獨溝槽或凸起結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，而是二者復(fù)合的結(jié)果。

4.2 茭白葉片超疏水性能機(jī)理分析

為了定量分析茭白葉片亞毫米溝槽結(jié)構(gòu)和微米半球結(jié)構(gòu)的綜合作用，對茭白葉表面形貌做出適當(dāng)簡化，連續(xù)的溝槽結(jié)構(gòu)被離散化，每個離散單元按半球結(jié)構(gòu)計算，半球表面分布有微米級半球結(jié)構(gòu)，因此，茭白葉表面被認(rèn)為是二級半球復(fù)合結(jié)構(gòu)。茭白葉表面截面幾何模型如圖4所示，R1表示簡化后凸起亞毫米半球半徑，R2表示凸起微米半球半徑，D1表示亞毫米半球間距，D2表示微米半球間距，θ表示茭白葉片表面蠟質(zhì)的本征接觸角，根據(jù)Cassie模型表觀接觸角計算公式，

(3)

式中， f1為液-固實際接觸面積與表觀面積之比， f2為液-氣實際接觸面積與表觀面積之比。可以得到液-固實際接觸面積 、液-氣實際接觸面積S2分別為:

將式(6)和(7)代入(3)，

(8)

在第二級凸起結(jié)構(gòu)表面表觀接觸角θ1根據(jù)以上推導(dǎo)可以表示為，

(9)

(10)

將式(9)代入(10)得，

(11)

同時，根據(jù)式(11)，本征角越大，即蠟質(zhì)層疏水性越強(qiáng)，葉片表面表觀角越大，疏水性越強(qiáng)，且表觀接觸角隨著比值的增大而減小，茭白葉二級結(jié)構(gòu)對潤濕性能的影響大于一級結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 茭白葉表面幾何模型2D圖

5 結(jié)論

(1)茭白葉表面具有優(yōu)異的超疏水性能，表面水接觸角可達(dá)151.5±3°；

(2)茭白葉表面覆蓋有蠟質(zhì)表層，微觀結(jié)構(gòu)為亞毫米溝槽與微米凸起的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(3)茭白葉表面具有超疏水性能的主要原因是微觀結(jié)構(gòu)與蠟質(zhì)表層的綜合作用，理論計算所得水接觸角為157.2°，與試驗值基本相符。

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