畢語涵 孫剛 房巖

(長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春130032)

1 引言

超疏水表面是大自然中一種極為常見的現(xiàn)象,例如蝴蝶的翅膀，水黽的腳，水鳥的羽毛都具有超強(qiáng)的疏水性,荷葉的表面就具有很強(qiáng)的疏水性和自潔凈功能，這種特性使得蝴蝶可以在雨中自由飛行,水黽可以在水面滑行而不至于沉沒,水鳥的羽毛可以不沾水，人類很早就注意到生物體的這些功能,并意識(shí)到這些功能有可能給人類帶來意想不到的好處,因此早在60多年前,就有學(xué)者開始了固體表面疏水性和浸潤(rùn)性的研究[5]。人們發(fā)現(xiàn)自然界許多生物的表面具有自清潔性，當(dāng)有污染物落到其表面上時(shí)，它們能夠很輕易地達(dá)到自清潔目的，而要想清洗同等面積的人工表面卻要花費(fèi)幾倍的努力。

所謂的超疏水性是指水滴與固體表面的接觸角大于150°[6]。自然界中存在許許多多超疏水的狀態(tài)，除了Wenzel態(tài)，Cassie態(tài)，還有Lotus態(tài)，Gecko態(tài)，以及介于Wenzel態(tài)和Cassie態(tài)之間的超疏水態(tài)[7]。隨著人們研究的深入發(fā)展，研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了更多的超疏水態(tài)，例如Cassie滲透浸潤(rùn)態(tài)。這種超疏水態(tài)不僅具備更大的接觸角，而且具有較大的接觸角滯后，例如水稻葉片可以讓水滴向著植株根莖方向滾落，以便根能收集到更多的水分,水禽類的羽毛可以讓水滴沿著羽毛的排列方向運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)全身浸濕等[8]。

2 植物表面的疏水自潔研究

1871 年DeBary[9]首次利用光學(xué)顯微鏡對(duì)植物表面上的蠟質(zhì)進(jìn)行描述，并對(duì)蠟質(zhì)晶體進(jìn)行測(cè)定。之后不斷有人對(duì)植物表面進(jìn)行分析，認(rèn)為植物表面疏水性與其體表的蠟質(zhì)有關(guān)，很多研究表明植物的許多物理性質(zhì)都是由表皮薄膜分泌出的蠟質(zhì)晶體引起，蠟質(zhì)晶體在表面上的分布和它們特有的化學(xué)性質(zhì)形成了疏水性。1971年Baker和Holloway[10]用掃描電子顯微鏡對(duì)6種植物的葉、果、莖表面進(jìn)行研究，并對(duì)這些植物表面上蠟質(zhì)晶體的形狀等因素進(jìn)行了描述和比較，認(rèn)為蠟質(zhì)晶體的形狀、尺寸之間的差異導(dǎo)致了疏水程度的不同。1997年Barthlott等人用土壤和石英灰等9種微粉作污染物對(duì)8種植物葉面進(jìn)行人工污染，然后用天然雨和人工雨進(jìn)行清洗試驗(yàn)[11]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于疏水性的葉面，落到葉面上的水會(huì)迅速收縮成球狀滴，葉面經(jīng)小于50角傾斜后球狀水滴即快速脫落而不殘留任何污染物，葉面上的毛狀體和刻劃等微觀粗糙結(jié)構(gòu)有利于粉末狀污染物的脫附，這種自清潔功能與污染物的尺寸和化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。而對(duì)于具有700接觸角的光滑葉面，落到葉面上的水滴收縮成半球狀，水滴在葉面傾斜角達(dá)到100～300時(shí)才發(fā)生脫落，且脫落速度相對(duì)較慢。對(duì)于接觸角很小的光滑葉面，落在葉面上的水很快鋪展，當(dāng)葉面傾斜角大于400時(shí)水滴才發(fā)生部分脫落。植物葉面蠟質(zhì)材料和微觀粗糙結(jié)構(gòu)的綜合作用使得葉面對(duì)顆粒污染物具有自清潔功能，這被稱為“荷葉效應(yīng)”[12]。

3 動(dòng)物表面的疏水自潔研究

人們很早就注意到鵝鴨等水禽能在水中游動(dòng)且羽毛不濕，而另外一些鳥類進(jìn)入水中后羽毛由于沒有疏水性而很快潤(rùn)濕。后來，人們發(fā)現(xiàn)水禽的羽毛表面有一層類似油脂的物質(zhì)，這種油脂要比另外一些鳥類羽毛上面的油脂疏水。中國(guó)古代勞動(dòng)人民借鑒這一點(diǎn)，就利用熟桐油脂,每年定期刷木船，改變木質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止漏水并提高船的航行性能。最早對(duì)動(dòng)物體表的研究報(bào)道見于1951年，BoPhilip等人[13]用電子顯微鏡對(duì)普通白色家禽的羽毛進(jìn)行了研究，認(rèn)為可能是羽毛的表面形成了一層不可潤(rùn)濕的薄膜，從而導(dǎo)致了疏水性。當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為動(dòng)物體表疏水是由一層不被潤(rùn)濕的薄膜引起。而后不斷有人從不同角度對(duì)鳥類的羽毛表面、昆蟲翅膀表面、海洋動(dòng)物與土壤動(dòng)物的體表進(jìn)行研究。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所江雷[14]的研究發(fā)現(xiàn)，水黽能生活在水面上，站立或快速行走，并不是依靠分泌的油脂所產(chǎn)生地表面張力效應(yīng)。盡管水黽腿部表面油脂是疏水的，但它所提供的表面張力是非常小的，只可以支撐水黽站立在水面上，卻不足以支持水黽在水面上快速奔跑，因?yàn)樯晕⒌慕佑|或其他的擾動(dòng)就會(huì)使它沉沒。在水黽的腿上覆蓋有無數(shù)取向的針形的細(xì)小鋼毛，這些鋼毛的長(zhǎng)度大部分是50nm,直徑從根部的1～3nm漸變至尖部的幾百個(gè)納米，在每個(gè)鋼毛的表面還有更加精細(xì)的螺旋的納米尺度的溝槽結(jié)構(gòu)，正是這種特殊的微納米結(jié)構(gòu)，使得空氣能夠被有效地吸附在這些微米鋼毛和納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成了一層穩(wěn)定的氣膜，從而阻礙了水滴的浸潤(rùn)，水黽是利用其腿部特殊分級(jí)的微納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了超疏水的屬性[15]。允許它在水面上踩出4mm深的水渦也不會(huì)刺破水面。對(duì)其腿的力學(xué)測(cè)量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達(dá)到了其身體總重量的15倍。正是水黽在水面上的這種超強(qiáng)的負(fù)載能力，允許它站在水面上，并能快速地奔跑和跳躍，即使在暴風(fēng)驟雨或湍急的水流中也能行動(dòng)自如。這一新的發(fā)現(xiàn)將有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)出新型的微型水上機(jī)器，比如：不會(huì)沉沒、低的流體阻力、快速的推進(jìn)能力、驅(qū)動(dòng)耗能低，不會(huì)產(chǎn)生污染與環(huán)境友好[16]。房巖等首次比較系統(tǒng)地對(duì)蝴蝶翅膀表面的非光滑表面結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分類研究，同時(shí)對(duì)蝴蝶翅膀表面的疏水性與自清潔性進(jìn)行了研究，并得出了蝴蝶翅膀非光滑鱗片結(jié)構(gòu)引起了疏水性與自清潔性的結(jié)論。并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及方程[17]。

4 研究展望

盡管人們已經(jīng)提出了一些理論假設(shè)和數(shù)學(xué)模型來解釋微細(xì)結(jié)構(gòu)粗糙表面對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響，但它們還存在一些理論和技術(shù)上的缺陷，還有許多復(fù)雜的情況沒有解決?，F(xiàn)在的大多數(shù)人工表面的制作方法成本高,過程復(fù)雜,而且需要使用苛刻的化學(xué)條件,或者不能進(jìn)行大范圍制造超疏水表面.仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。仿生工程實(shí)質(zhì)上就是模仿生命體功能的工程，是自然界中高度學(xué)科交叉的實(shí)例，它集合了材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械原理、計(jì)算和控制、設(shè)計(jì)整合、最優(yōu)化、功能性和消耗有效性等。但由于條件的限制，目前僅僅是停留在對(duì)表面現(xiàn)象及表面形態(tài)研究上，而沒有對(duì)其疏水機(jī)理及影響疏水性的各個(gè)復(fù)雜因素的權(quán)重關(guān)系進(jìn)行深入探討。生物體表面為抵御雨、霧、露,以及塵埃等不利因素的侵襲，經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化，形成了反粘附、非潤(rùn)濕的超疏水自清潔功能。探討生物非光滑表面微納米結(jié)構(gòu)對(duì)浸潤(rùn)性質(zhì)的規(guī)律及其機(jī)制的影響規(guī)律。這為提高仿生材料表面的疏水性和自清潔性能研究提供了新的途徑和思路，在材料工程等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。對(duì)生物表面的表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、多尺度效應(yīng)和跨尺度效應(yīng)的研究將是未來表面研究的發(fā)展方向[18]。

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