表面润湿性
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很多材料，并不只是超疏水的时候才具有滚动角小的特点，就
像刚才水滴在平整聚四氟乙烯表面
Fig. Diagram summarizing the connection between roughening and self-cleaning
12
2. 常见的几个“角”
接触角滞后- Contact Angle Hysteresis
CAH A R
CAH
A
R
：接触角滞后 CAH
：前进角
Advancing angle
：后退角
Receding angle
11
2. 常见的几个“角”
滚动角-Sliding angle
荷叶的表面形貌是柱状的~
荷叶表面自清洁：叶面稍微倾斜，水滴便会自动滚落。即滚动
角（sliding angle）很小
值，而且还适用于对自然科学有兴趣的
中学生、大学生等。它集科普与科研与
一身，是引导年轻人走进科学的一本好
书。相信该书的问世，必能引发人们对
于仿生智能材料的广泛兴趣。
----朱道本
23
谢谢！
24
1. 固体表面润湿性能
表面自由能
要不要介绍？
25
需要介绍的问题：
• 物理化学基本知识原理，方程，计算模型
lines describe possible three-phase (air-liquid-surface) contact lines : (a) a screen --- a fairly
continuous contact line (b) separated ridges ---a discontinuous but substantial contact line and (c)
and surface fluorination process,
the damaged fabric is rendered
with superhydrophobicity again.
Fig. top) surface textures after being scratched;
down) photographs of water on damaged and
droplet transportation.
20
其它应用领域
自清洁
耐腐蚀
微液滴转移
油水分离
防生物吸附
集水器
21
总结与展望
纯粹制备超疏水的表面/材料无新意
液滴输运，属小巧的创新。真正工程上
的应用，问题还有很多
海洋：油水分离、超疏水表面具有耐腐
蚀、减阻降噪等诸多优势
有待我们去努力开发与研究！
images of water droplets on DTS Pd/Si NW arrays: a) atmospheric ambient and b) 2% H2
ambient.
Advanced Materials, 2013. 25(30): p. 4139-4144.
19
3. 材料表面润湿性的智能可控
cos = 1 cos1 + 2 cos2
式中， θ1和θ2为液体在成分1和成
分2表面的本征接触角；f1和f2分别
表示成分1和成分2所占的单位表观
面积分数（f1+f2=1）
cos = 1 cos1 − 2
Fig. Wenzel’s state (A) and Cassie’s state (B)
• 主要内容是公式与示意图
• 为什么wenzel and cassie mode都可以达到
超疏水呢？
• 表面拓扑结构对接触角的影响
26
3. 材料表面润湿性的智能可控
• 接触角达到180o
• 高温高压下的状态
27
3. 材料表面润湿性的智能可控
• 水滴接触角与生物性之间的关系
Patterning droplets with durotaxis. Proceedings of the National Academy of Sciences 2013.
机理
H2引发形貌变化：
Pd可对H2产生化学吸附作用；形成PdHx，产生体积膨胀，增
加表面与水滴的接触面积，产生粘附现象。
Fig. left) Schematic illustration of the H2 -induced volume expansion; right) video of water
粘附性快速调控
气体（H2）驱动超快粘附-非粘附转换：
大气环境下：表面为超疏水非粘附性
氢气氛下：表面为超疏水粘附性
粘附-非粘附可实现快速转变
Fig. left) typical SEM images of Pd deposited Si NW arrays; right) sequential photographic
5
1. 固体表面润湿性能
表面自由能 vs. 表面粗糙度
（PTFE=18）
油
cos(c )
γ（mN/m）
72
水
SG SL
LG
无机固体表面
• 自然界中，那么多的材料都是超疏水状态，都能够达到聚四氟乙
烯那么低的表面能吗？那它们又是怎么达到超疏水的效果的呢？
6
1. 固体表面润湿性能
会把气体封闭到不连续的空洞当中。当表面
翻转时，由于负压，粘附住表面的水滴。
A
B
C
Fig. A) SEM images of surface with negative biomimetic rice leaf morphology; B)
the water droplet on the surface and C) action model
9
2. 常见的几个“角”
引
•当样品台倾斜到大约43°（滚动角）的时候，水滴迅速滑落。
•滚动滞后（前进角与后退角的差值）在1~2°之间。
10
2. 常见的几个“角”
样品台倾斜……
1. Contact angle：接触角
2. Sliding angle：样品台倾斜的角度α
3. Contact angle hysteresis：接触角滞后
transitional superhydrophobic state between Wenzel’s and Cassie’s states; (E) the
gecko state of the PS nanotrube surface.
8
水稻叶负形貌
表面形貌为凹坑结构时， 滴在表面的水滴
Contact angle一般为 静态接触角，还称为平衡接触角，
与前进角接近，与后退角差距比较大
• 接触角滞后的研究比单纯的表征接触角意
义要大很多。
在增加液体或者减少液体的过程
中，接触角从一个状态变化到另
一个状态会有一个转变能垒
Fig. 前进角和后退角
13
2. 常见的几个“角”
表面接触角-表面拓扑结构
自清洁、防污、防腐、智能可控……
15
3. 材料表面润湿性的智能可控
易修复
商业聚酯织物：
1. 沉积Ag-增加粗糙度
2. 旋涂有机溶液
A
这一织物具有耐摩擦的效果
手指压入摩擦
砂纸加压摩擦
B
C
Fig. A) SEM images of the fibrous fabric; B) finger touching test and C) abrasion with sandpaper.
separated posts -Hale Waihona Puke Baidu-a very discontinuous contact line.
Langmuir, 1999. 15.
14
3. 材料表面润湿性的智能可控
制备方法
电沉积
化学沉积
气相沉积
刻蚀法
……
有机涂层
增
加
表
面
粗
糙
度
超
疏
水
表
面
降
低
材
料
表
面
能
自组装
溶胶-凝胶法
旋涂
……
单纯制备超疏水表面没有新意，朝向其功能应用方面研究：
22
科普书籍推荐
仿生智能纳米界面材料
《仿生智能纳米界面材料》一书汇聚
了作者多年来在该研究工作中获得的第
一手资料，图文并茂，深入浅出，将知
识性、科学性、通俗性、可读性统一，
生动有趣地阐述了模拟自然和受生物启
发，仿生制备结构、性能优异的智能纳
米界面材料的全过程。本书不仅对于从
事本领域的研究人员具有重要的参考价
Contact angle--
Surface wetting behavior with liquid
Before the text…
沙漠甲虫，成功生
活在干旱的沙漠中
荷叶：出淤
泥而不染
“水上漂”水渑
Surface wetting
behavior
gecko
壁虎：可以在天
花板上自由行走
水滴在蝴蝶翅
膀上定向流动
沾湿（adhesion，或粘附）θ≤180°
浸湿（immersion，或浸润）θ≤90°
铺展（spreading）θ≈0°
沾湿
浸湿
铺展
4
1. 固体表面润湿性能
举例例证：
• 聚四氟乙烯：
γ =18mN/m
表面光滑，水
滴迅速滚落
疏水状态
Image in the lab
Images download from websites
表面拓扑结构对接触角滞后的影响：
连续形貌：连续三相线 接触面积大，滞后
严重
断续形貌：三相线不连续，无介稳态
形貌的拓扑结构的重要性在于其控制着三
相接触线，进而影响到了滚动角滞后
Figure 1. Pictorial representations of surfaces with three different roughness topologies. The darker
Journal of Colloid and Interface Science, 2012. 380(1): p. 182-186.
16
3. 材料表面润湿性的智能可控
易修复
长时间摩擦失去超疏水
性能后，在原来的溶液
中重新处理之后，仍可
保持超疏水状态。
After repeating Ag deposition
Rose petal
玫瑰花瓣是总是挂
着一串串的“珍珠”
2
outline
outline
1. 固体表面润湿性能
– 表面自由能 & 表面粗糙度
2. 常见的几个“角”
– CA、SA, CAH
3. 材料表面润湿性的智能可控
– pH、光、热……
3
1. 固体表面润湿性能
表面自由能
杨氏润湿方程：
SG SL LG cos(c)
28
表面粗糙度-Wenzel and Cassie mode
Wenzel 方程：
由Wenzel于1936年提出
= cos
式中，r定义为粗糙度，是指实际的固-液界面接触面积与表观固-液界面接触
面积之比（r ≧ 1）， θr是Wenzel状态下粗糙表面的接触角
Cassie-Baxter方程：
repaired surface
17
3. 材料表面润湿性的智能可控
光响应疏水转换
疏水表面：
电沉积金粗糙表面
SAM/CD/CF 低表面能修饰
光响应：
紫外光：偶氮苯为顺式，空间
位阻大
可见光：偶氮苯为反式，空间
位阻小
Fig. left) Reversible wettability transition of photo-responsive monolayer by UV and Vis
irradiation; right) Photocontrolled reversible molecular shuttles on a rough surface.
Chemical Communications, 2008(44): p. 5710-5712.
18
3. 材料表面润湿性的智能可控
7
1. 固体表面润湿性能
其它模型
C）lotus状态是由表面的微纳米复合结构造成的。具有自
清洁效果
E）gecko状态靠空气的负压来粘附液滴
Fig. different states of superhydrophobic surfaces: (C) the lotus state; (D) the
像刚才水滴在平整聚四氟乙烯表面
Fig. Diagram summarizing the connection between roughening and self-cleaning
12
2. 常见的几个“角”
接触角滞后- Contact Angle Hysteresis
CAH A R
CAH
A
R
：接触角滞后 CAH
：前进角
Advancing angle
：后退角
Receding angle
11
2. 常见的几个“角”
滚动角-Sliding angle
荷叶的表面形貌是柱状的~
荷叶表面自清洁：叶面稍微倾斜，水滴便会自动滚落。即滚动
角（sliding angle）很小
值，而且还适用于对自然科学有兴趣的
中学生、大学生等。它集科普与科研与
一身，是引导年轻人走进科学的一本好
书。相信该书的问世，必能引发人们对
于仿生智能材料的广泛兴趣。
----朱道本
23
谢谢！
24
1. 固体表面润湿性能
表面自由能
要不要介绍？
25
需要介绍的问题：
• 物理化学基本知识原理，方程，计算模型
lines describe possible three-phase (air-liquid-surface) contact lines : (a) a screen --- a fairly
continuous contact line (b) separated ridges ---a discontinuous but substantial contact line and (c)
and surface fluorination process,
the damaged fabric is rendered
with superhydrophobicity again.
Fig. top) surface textures after being scratched;
down) photographs of water on damaged and
droplet transportation.
20
其它应用领域
自清洁
耐腐蚀
微液滴转移
油水分离
防生物吸附
集水器
21
总结与展望
纯粹制备超疏水的表面/材料无新意
液滴输运，属小巧的创新。真正工程上
的应用，问题还有很多
海洋：油水分离、超疏水表面具有耐腐
蚀、减阻降噪等诸多优势
有待我们去努力开发与研究！
images of water droplets on DTS Pd/Si NW arrays: a) atmospheric ambient and b) 2% H2
ambient.
Advanced Materials, 2013. 25(30): p. 4139-4144.
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3. 材料表面润湿性的智能可控
cos = 1 cos1 + 2 cos2
式中， θ1和θ2为液体在成分1和成
分2表面的本征接触角；f1和f2分别
表示成分1和成分2所占的单位表观
面积分数（f1+f2=1）
cos = 1 cos1 − 2
Fig. Wenzel’s state (A) and Cassie’s state (B)
• 主要内容是公式与示意图
• 为什么wenzel and cassie mode都可以达到
超疏水呢？
• 表面拓扑结构对接触角的影响
26
3. 材料表面润湿性的智能可控
• 接触角达到180o
• 高温高压下的状态
27
3. 材料表面润湿性的智能可控
• 水滴接触角与生物性之间的关系
Patterning droplets with durotaxis. Proceedings of the National Academy of Sciences 2013.
机理
H2引发形貌变化：
Pd可对H2产生化学吸附作用；形成PdHx，产生体积膨胀，增
加表面与水滴的接触面积，产生粘附现象。
Fig. left) Schematic illustration of the H2 -induced volume expansion; right) video of water
粘附性快速调控
气体（H2）驱动超快粘附-非粘附转换：
大气环境下：表面为超疏水非粘附性
氢气氛下：表面为超疏水粘附性
粘附-非粘附可实现快速转变
Fig. left) typical SEM images of Pd deposited Si NW arrays; right) sequential photographic
5
1. 固体表面润湿性能
表面自由能 vs. 表面粗糙度
（PTFE=18）
油
cos(c )
γ（mN/m）
72
水
SG SL
LG
无机固体表面
• 自然界中，那么多的材料都是超疏水状态，都能够达到聚四氟乙
烯那么低的表面能吗？那它们又是怎么达到超疏水的效果的呢？
6
1. 固体表面润湿性能
会把气体封闭到不连续的空洞当中。当表面
翻转时，由于负压，粘附住表面的水滴。
A
B
C
Fig. A) SEM images of surface with negative biomimetic rice leaf morphology; B)
the water droplet on the surface and C) action model
9
2. 常见的几个“角”
引
•当样品台倾斜到大约43°（滚动角）的时候，水滴迅速滑落。
•滚动滞后（前进角与后退角的差值）在1~2°之间。
10
2. 常见的几个“角”
样品台倾斜……
1. Contact angle：接触角
2. Sliding angle：样品台倾斜的角度α
3. Contact angle hysteresis：接触角滞后
transitional superhydrophobic state between Wenzel’s and Cassie’s states; (E) the
gecko state of the PS nanotrube surface.
8
水稻叶负形貌
表面形貌为凹坑结构时， 滴在表面的水滴
Contact angle一般为 静态接触角，还称为平衡接触角，
与前进角接近，与后退角差距比较大
• 接触角滞后的研究比单纯的表征接触角意
义要大很多。
在增加液体或者减少液体的过程
中，接触角从一个状态变化到另
一个状态会有一个转变能垒
Fig. 前进角和后退角
13
2. 常见的几个“角”
表面接触角-表面拓扑结构
自清洁、防污、防腐、智能可控……
15
3. 材料表面润湿性的智能可控
易修复
商业聚酯织物：
1. 沉积Ag-增加粗糙度
2. 旋涂有机溶液
A
这一织物具有耐摩擦的效果
手指压入摩擦
砂纸加压摩擦
B
C
Fig. A) SEM images of the fibrous fabric; B) finger touching test and C) abrasion with sandpaper.
separated posts -Hale Waihona Puke Baidu-a very discontinuous contact line.
Langmuir, 1999. 15.
14
3. 材料表面润湿性的智能可控
制备方法
电沉积
化学沉积
气相沉积
刻蚀法
……
有机涂层
增
加
表
面
粗
糙
度
超
疏
水
表
面
降
低
材
料
表
面
能
自组装
溶胶-凝胶法
旋涂
……
单纯制备超疏水表面没有新意，朝向其功能应用方面研究：
22
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《仿生智能纳米界面材料》一书汇聚
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一手资料，图文并茂，深入浅出，将知
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Surface wetting behavior with liquid
Before the text…
沙漠甲虫，成功生
活在干旱的沙漠中
荷叶：出淤
泥而不染
“水上漂”水渑
Surface wetting
behavior
gecko
壁虎：可以在天
花板上自由行走
水滴在蝴蝶翅
膀上定向流动
沾湿（adhesion，或粘附）θ≤180°
浸湿（immersion，或浸润）θ≤90°
铺展（spreading）θ≈0°
沾湿
浸湿
铺展
4
1. 固体表面润湿性能
举例例证：
• 聚四氟乙烯：
γ =18mN/m
表面光滑，水
滴迅速滚落
疏水状态
Image in the lab
Images download from websites
表面拓扑结构对接触角滞后的影响：
连续形貌：连续三相线 接触面积大，滞后
严重
断续形貌：三相线不连续，无介稳态
形貌的拓扑结构的重要性在于其控制着三
相接触线，进而影响到了滚动角滞后
Figure 1. Pictorial representations of surfaces with three different roughness topologies. The darker
Journal of Colloid and Interface Science, 2012. 380(1): p. 182-186.
16
3. 材料表面润湿性的智能可控
易修复
长时间摩擦失去超疏水
性能后，在原来的溶液
中重新处理之后，仍可
保持超疏水状态。
After repeating Ag deposition
Rose petal
玫瑰花瓣是总是挂
着一串串的“珍珠”
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outline
outline
1. 固体表面润湿性能
– 表面自由能 & 表面粗糙度
2. 常见的几个“角”
– CA、SA, CAH
3. 材料表面润湿性的智能可控
– pH、光、热……
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1. 固体表面润湿性能
表面自由能
杨氏润湿方程：
SG SL LG cos(c)
28
表面粗糙度-Wenzel and Cassie mode
Wenzel 方程：
由Wenzel于1936年提出
= cos
式中，r定义为粗糙度，是指实际的固-液界面接触面积与表观固-液界面接触
面积之比（r ≧ 1）， θr是Wenzel状态下粗糙表面的接触角
Cassie-Baxter方程：
repaired surface
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3. 材料表面润湿性的智能可控
光响应疏水转换
疏水表面：
电沉积金粗糙表面
SAM/CD/CF 低表面能修饰
光响应：
紫外光：偶氮苯为顺式，空间
位阻大
可见光：偶氮苯为反式，空间
位阻小
Fig. left) Reversible wettability transition of photo-responsive monolayer by UV and Vis
irradiation; right) Photocontrolled reversible molecular shuttles on a rough surface.
Chemical Communications, 2008(44): p. 5710-5712.
18
3. 材料表面润湿性的智能可控
7
1. 固体表面润湿性能
其它模型
C）lotus状态是由表面的微纳米复合结构造成的。具有自
清洁效果
E）gecko状态靠空气的负压来粘附液滴
Fig. different states of superhydrophobic surfaces: (C) the lotus state; (D) the