具有微纳米阶层结构仿生超疏水表面的研究进展

图７ 具有类似荷叶微纳结构 的Ａ Ｔ ＧＮ 管
Ｆｉ ７ Ｌａ ｇ — ｃ ｌ ＥＭ ｍ ａ ｕｓｌｋ ｇ． ｒ ｅ ｓ ａｅ Ｓ ｉ ｇｅｏｆｌ ｏｔ —ｉｅ ＡＣＮＴ ｌ ｉ ｆｍ
Ｆｉ ２ Ｔｈｅｓ ｆ ｃ ｔｕ ｔ ｅｏｆｌ ｕｓｌ ａ ｇ． ｕｒａ ｅｓｒ ｃｕｒ ｏｔ ｅ ｆ
图 ３ 水稻 叶表 面 的 微 观 结构
Ｆｉ ． Ｔｈ ｕ ｆ ｃ ｔｕ ｔｒ ｆｒｃ ｅ ｇ３ ｅ ｓ ｒａ ｅｓｒ ｃ ｅｏ ｉ ｅｌａｆ ｕ
１２疏 水表面 模型分 析 －
２ １ 年 第 ５期 ００ 第 ３ 卷 总第 ２ ５ ７ ０ 期
广
东
化
工
２７
Ⅵ ｎⅣｇ ｃ ｅ ｃ ｍ ．ｄ ｈ ｍ．ｏ
＝） １。据有关文献报道 ］ 和 分别为０２ ５ ￣ ０７４ ， ， ． ６ １．９ ４ ０ １ 另外 ， 值为（０ ． ． ，因此根据 上式，当ｎ ０ ，２ １４６士０５ ） ＝ ，１ ，时， 直可分另 计算得 １７８。 ４ ． ，１２４。 Ｕ ４ ． ，１９７。 ５ ． ，利用 以上结果 ，
Ｆｉ ６ ＴｈｅＳＥＭ ｍ ａ Ａ ＣＮＴ ｌ ｉｈｐｕ ｅｎａ —ｔｕｃｕｒ ｇ． ｉ ｇｅｏｆ ｉ ｆ ｍ ｗ ｔ ｒ ｎｏ ｓｒ ｔ ｅ
２ 具 有 微 纳 复 合 结 构 超 疏 水 界 面 材 料 的 研 究 现 状
纳米结构与微米 结构相结合 产生的阶层结构 为仿生超疏 水表面 的制备提供 了一种新 的思路 。受到 以上研 究结果 的启 发， 中国科学院化学所的研究人员仿 生制备 了多种各具特色 的 具有微 纳结构 的特殊浸润性材料 。 在制备具有纯纳米结构紧密 排列的阵列碳纳米管（ Ｃ ）超疏水膜（ Ａ ＮＴ 如图６ 所示 ， 这些纳米 管的排列基本与基底垂直 ， 管径均匀 ，平均外径约６ ｍ） ０ ｎ 的基 础上 “ ， ｊ以化学气相 沉积法制备 了具有纳米结构与微米结构 相结合产 生的阶层结构的类荷叶状ＡＣ 膜（ ＮＴ 如图７ 所示） 此膜 ， 同时具有高接触角及低 滚动角。 乳突 的平均直径 以及它们之间 的平均距离分别为（．９ ０３ ）ｇ 和（．１ ２９ ）ｐ ２８ ￣ ． ２ ｍ ９６ ￣ ． ２ ｍ，纳米管 的平均外径为３ ￣６ ｌ。相 比之 下，类荷 叶状ＡＣ 膜的滚 ０ ０ｎｌ Ｔ ＮＴ 动角要远小于 紧密 排列 的ＡＣ 膜 ， ＮＴ 这是 由于固体与液体之间 建立 了离散的接触 ， 直接影 响到三相接触线 的形状、长度以及 连续性 ，从而使得 滚动角大大降低 。基于 以上研究结果 ， 文章作者还制备 了具有不 同图案结构如蜂窝状、岛状、柱状 的 阵列碳纳米管膜 ， 它们既具有微米结构又具有纳米结构。研究 小组还以多孔氧化铝膜为基板 ，用Ｎ ＯＨ ａ 溶液进行化学腐蚀 ，
以荷叶表面为例 ， 根据Ａ ａ ｏ 和Ｇ ｓ的描述 ， ｄ ｍｓｎ ａｔ 可以建立 个超疏水与阶层结构之问的模型 ，粗糙表面被认为是存 在 于乳 突上。由于荷 叶表 面的阶层结构非常类似于Ｋｏ ｈ ｃ 曲线 所描述 的分形结构 】 ，因此 ，可利用分形结构方程来计算粗 糙 因子 。通 过 变换 粗 糙 因子 ，可 以 用 下式 （） 图５ 来描 述 粗 １ 及 ［
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２ ６ Ｗ ＷＷ．ｄ ｈ ｍ．ｏ ｇ ｃ ｅ ｃ ｍ
第 ３ 卷 总第 ２ ５ ７ ０ 期
阻碍了水滴的浸润 ， 这才是水 黾腿超疏水性和高表面支撑力 的 根源 。 这一发现有助于在不远的将来设计 出新型的水上机器人
和微型水上交通工具 。
・－ ▲
（ 超 亲水型 表面 ａ ） （） 等亲水 型表 面 ｂ超疏
一
糙表面接触 角（ 与光滑表面接触 角（ 之间的关系 ： 式中 ，（／ ，表示表 面粗糙 因子 ， 和份 别表示具有分 ＬＯ 形行为表面的上限和下限 的极限尺度， Ｄ是分形维， ≤Ｄ≤３ ２ ； 对于荷叶表面 ，朋订 分别对应乳突直径及纳米结构尺寸 ，Ｌ１ ， ／ 为３， 由具体 的分形结构来决定 ， 值增大则表面粗糙因子 值 也增大 。在式中 ， 和 分别表示表面上固体与 空气所 占分数
图 １ 不 同 表面 水 滴 接 触 界 面 状 态
Ｆｉ ． Ｄｒ ｐｌｔｏ ａｅ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｕ ｆ ｃ ｓ ｇ１ ｏ ｅ ｆｗ ｔｒｏ ｉｆ ｒ ｎｔｓ ｒａ ｅ
（） ａ荷叶 表面大 面积 的微结 构
（） 米乳突 上 的纳 米结 构 ｂ微
图２ 荷 叶 表面 的微 观 结 构
可 以推算出荷叶表面接触 角与纳米结构直径之间的关系， 这一 结果可应用于各种类型的疏水表面 。
（） 上取 向排列 的微 米级 刚毛 ａ腿
（） 毛上 的纳米 沟槽 ｄ刚
图４ 水 黾腿 表 面 的 微 观 结构
Ｆｉ ． Ｔｈｅｓ ｆ ｃ ｉｔｅｓｒ ｃ ｕ ｅｏｆｗ ａｅ ｔｉ ｅ ｅ ｇ４ ｕｒａ ｅｂｒｓｌ ｔｕ ｔ ｒ ｔ ｒｓｒｄ ｒｌ ｇ
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控制适当的条件 ，得到氧化铝微米一 纳米表面复合结构 ，然后 以此为模板 ，在一定 的压力下 ，高于聚合物玻璃化温度 以上 ， 在 其他 聚合物表面上成功印刷 出了具有微米一 纳米分级结构的 超 疏水性表 面 。原材料既有刚性 的Ｐ （Ｈ ） ＭＭＡ，也有 Ｓ￣ 图８ ，Ｐ 弹性￣Ｐ ＤＭＳ ” 。
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图５ Ｇ ｓ ｆ与ＣＯ 理 论 关 系值 ｏＯ Ｓ Ｆｇ５ Ｔ ｅ ｃｄ ｍｉｒｌｉｎｂｔ ｅ ｏ０ ａｄＣ ｓ ｉ． ｈ ａ ｅ ｃ ｅａ ｏ ｅ ａ ｔ ｗｅｎＣ ｓ ｎ ｏ０ ｆ
图 ６ 纯 纳 米 结 构Ａ Ｔ 膜 ＧＮ 管