荷叶效应引起的的超疏水表面研究

2017-04-21 15:28:49 防雾剂,织物疏水疏油整理剂 阅读

 疏水

 北宋理学家周敦颐在《爱莲说》中用“予独爱莲之出淤泥而不染,濯清涟而不妖...”这样的诗句表达了对莲花品性的热爱。莲花为什么会有“出淤泥而不染”的特性呢?

 荷叶本身是不沾水的,这是由于荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡。这种特殊的结构有助于锁住空气,进而防止水将表面润湿。水滴在荷叶上形成一个球形,而不是铺展开来,像这样的表面,就是超疏水表面”。这种超疏水表面可以有效地防止被污水污染,并且表面的灰尘,杂志也会被雨水带走。

 荷叶具有超疏水的表面微观结构,它的表面有细小的微观粗糙结构,还包裹着不亲水的表皮蜡,这些结构托起水滴,减少了固体和液体的接触面积,使水滴处于“半悬空”的状态。正是由于这些粗糙的凸起,导致水滴落在荷叶表面时,刷子状的细微突起和空隙中的空气共同托起了水滴。

 在荷叶表面,圆圆的水滴滚落,不会润湿表面,而如果是水滴从高处低落到超疏水表面上,它们甚至还能弹跳起来。但是,如果是原本静止的水滴,有没有办法能让它自己“蹦起来”呢?最近,瑞士苏黎世理工大学布里卡克斯教授的课题组就让疏水表面上的水滴自发地弹跳了起来,这一发现于2015年11月发表在了《自然》期刊上。

超疏水

  水滴究竟是怎么自己蹦起来的?答案其实就是降低周围环境的气压。研究者们先让小水滴静止在超疏水表面上,然后降低周围的气压。当气压降低到一定程度之后,水滴自己就会蹦跳起来,并且还像蹦床运动员一样能够越跳越高。研究者们所使用的超疏水表面与荷叶也有类似的结构,当水滴“坐”在上面时,其实是刷子状的细微突起和空隙中的空气共同托起了它。

  在密闭环境下,当环境气压降低并保证较低的环境湿度时,水分子的扩散就会加剧,从而加速液体蒸发。当然,蒸发的方向是四面八方的,水滴的下方也不例外。而当水滴“坐”在超疏水表面上时,水滴在下部的蒸发就会受到阻碍。超疏水表面的空隙是开放的,但即使如此,空气在其中依然不能顺畅的流动。这样一来,随着水滴的蒸发,在水滴下方水蒸气就会聚集起来,产生一个过压强。这个额外的压强会给水滴一个向上的力,当压力超过了重力加上水与基底的黏附力时,水滴会被顶得跳起来啦。当然,在设计超疏水基底的时候要保证结构足够矮,足够拥挤,才能使气体流通不顺畅。

 水滴被弹起之后获得了动能,当上升到一定高度之后自然会下落碰撞超疏水表面。超疏水表面对水的黏附力极低,因此水滴在碰到超疏水表面时不会因黏附而损失很多能量,并且会在表面弹跳。

 此外,碰撞时基底结构中的水蒸气又会助水滴“一臂之力”,从而水滴在每一次碰撞时都会获得一个加速度,进而越蹦越高,就像一个跳床运动员。

疏水材料

 莱顿弗罗斯特效应:在生活中,尤其是冬天用炉子烧水的时候,水滴在到处翻滚而不会润湿炉子,最终蒸发殆尽,这也是高温下水蒸气把水滴托起的结果。

 除了蹦跳的水滴之外,研究者还向人们展示了更加酷炫的“冰滴飞起”现象。在同样的低压条件下,将过冷水置于超疏水表面,随着时间推移,过冷结冰,而“结冰+低压”同样可以导致一个加速蒸发的过程,从而推动冰滴,使它从表面腾空而起。

 环境因素限制了它的应用:

 对于需要预防结冰的表面,这种现象看起来是个好消息。不过,德国马普所的富尔默教授指出,尽管这一系列工作很酷炫,但如何用它还是个难题。尤其在户外的开放环境下,依靠降低气压来防止结冰很难操作。

 



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