荷葉效應引起的的超疏水表面研究課件

由荷葉到超疏水表面由荷葉到超疏水表面荷葉自清潔效應“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖…….”北宋理學家周敦頤在《愛蓮說》中用這樣的詩句表達了對蓮花品性的熱愛。蓮花為什么會有“出淤泥而不染”的特性呢？荷葉效應圖片荷葉自清潔效應“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖…….”荷葉自清潔效應荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟。這種特殊的結構有助于鎖住空氣，進而防止水將表面潤濕。水滴在荷葉上形成一個球形，而不是鋪展開來，像這樣的表面，就是“超疏水表面”。這種超疏水表面可以有效地防止被污水污染，并且表面的灰塵，雜質也會被雨水帶走。荷葉表面（左）以及其在掃描電子顯微鏡下的形貌（右，比例尺為1μm）荷葉自清潔效應荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的荷葉自清潔效應荷葉具有超疏水的表面微觀結構，它的表面有細小的微觀粗糙結構，還包裹著不親水的表皮蠟，這些結構托起水滴，減小了固體和液體的接觸面積，使水滴處于“半懸空”的狀態(tài)。荷葉表面粗糙的微觀結構正是由于這些粗糙的凸起，導致水滴落在在荷葉表面時，刷子狀的細微突起和空隙中的空氣共同托起了水滴。荷葉自清潔效應荷葉具有超疏水的表面微觀結構，它的表面有細小的超疏水研究——水滴玩蹦床在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕表面，而如果是水滴從高處滴落到超疏水表面上，它們甚至還能彈跳起來。但是，如果是原本靜止的水滴，有沒有辦法能讓它自己“蹦起來”呢？最近，瑞士蘇黎世理工大學布里卡克斯（Poulikakos）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地彈跳了起來，這一發(fā)現于2015年11月4日發(fā)表在了《自然》（Nature）期刊上。超疏水研究——水滴玩蹦床在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕超疏水研究——水滴玩蹦床從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳超疏水研究——水滴玩蹦床從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳超疏水研究——水滴玩蹦床從疏水表面上自己跳起來的水滴超疏水研究——水滴玩蹦床從疏水表面上自己跳起來的水滴超疏用研究——水滴玩蹦床水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上，然后降低周圍的氣壓。當氣壓降低到一定程度之后，水滴自己就會蹦跳起來，并且還像蹦床運動員一樣能夠越跳越高。超疏水表面的柯西模型示意圖研究者們所使用的超疏水表面與荷葉也有類似的結構，當水滴“坐”在上面時，其實是刷子狀的細微突起和空隙中的空氣共同托起了它。超疏用研究——水滴玩蹦床水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實超疏水研究——水滴在玩蹦床在密閉環(huán)境下，當環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時，水分子的擴散就會加劇，從而加速液體蒸發(fā)。當然，蒸發(fā)的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當水滴“坐”在超疏水表面上時，水滴在下部的蒸發(fā)就會受到阻礙。超疏水表面的空隙是開放的，但即使如此，空氣在其中依然不能那么順暢的流動。這樣一來，隨著水滴的蒸發(fā)，在水滴下方水蒸氣就會聚集起來，產生一個過壓強。這個額外的壓強會給水滴一個向上的力，當壓力超過了重力加上水與基底的黏附力時，水滴會被頂得跳起來啦。當然，在設計超疏水基底的時候要保證結構足夠矮，足夠擁擠，才能使氣體流通不順暢。超疏水研究——水滴在玩蹦床在密閉環(huán)境下，當環(huán)境氣壓降低并保證超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴被彈起之后獲得了動能，當上升到一定高度之后自然會下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面時不會因黏附而損失很多能量，并且會在表面彈跳。積攢在凸起之間的水蒸氣讓水滴跳了起來超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴被彈起之后獲得了動能，當上升到超疏水應用——水滴在玩蹦床此外，碰撞時基底結構中的水蒸氣又會助水滴“一臂之力”，從而水滴在每一次碰撞時都會獲得一個加速度，進而越蹦越高，就像一個蹦床運動員一樣。和蹦床上的人一樣，水滴也可以越跳越高超疏水應用——水滴在玩蹦床此外，碰撞時基底結構中的水蒸氣又會超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴的跳動還可以帶動懸臂進行持續(xù)的振動。水滴帶動懸臂震動超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴的跳動還可以帶動懸臂進行持續(xù)的超疏用研究——水滴玩蹦床萊頓弗羅斯特效應：在生活中，尤其是冬天用爐子燒水的時候，水滴在到處翻滾而不會潤濕爐子，最終蒸發(fā)殆盡，這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結果。萊頓弗羅斯特效應，在溫度遠超沸點的灼熱表面上，蒸汽托起水滴并推動它移動超疏用研究——水滴玩蹦床萊頓弗羅斯特效應：在生活中，尤其是冬超疏用研究——自動除冰除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示了更加酷炫的“冰滴飛起”現象。在同樣的低壓條件下，將過冷水置于超疏水表面上，隨著時間推移，過冷水結冰，而“結冰+低壓”同樣可以導致一個加速蒸發(fā)的過程，從而推動冰滴，使它從表面上騰空而起。自動除冰超疏用研究——自動除冰除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示超疏水研究——自動除冰環(huán)境因素限制了它的應用：對于需要預防結冰的表面，這種現象看起來是個好消息。不過，德國馬普所的福爾默（Vollmer）教授指出，盡管這一系列工作很酷炫，但如何應用它還是個難題。尤其在戶外的開放環(huán)境下，依靠降低氣壓來防止結冰很難操作。超疏水研究——自動除冰環(huán)境因素限制了它的應用：超疏水應用研究了解了超疏水原理和一些有趣的現象，那么在實際應用中到底有那些材料利用了這些原理呢？超疏水應用研究了解了超疏水原理和一些有趣的現象，那么在實際應超疏水應用研究油中實驗過程。污垢分別使用公園里的土壤（Soil）和室內的灰塵（Dust）充當，油選用十六烷（Hexadecane）和食用油（Cookingoil）。經過疏水涂料處理的表面被部分浸潤在油中，界面處撒有污垢。之后，研究者向表面滴水（為了便于分辨，水被事先染成藍色），以清除表面上的的污垢。以上實驗表現了疏水疏油超雙疏表面，這個想法來自于疏水材料的一點拓展，是根據豬籠草的自清潔效應來的，屬于仿生研究，可以達到除油的效果。超疏水應用研究油中實驗過程。污垢分別使用公園里的土壤（Soi超疏水應用研究經粘膠和超疏水涂層處理的表面，即便經過多次刀劃，也仍然保持自清潔功能超疏水應用研究經粘膠和超疏水涂層處理的表面，即便經過多次刀劃超疏水應用研究——自清潔涂層材料研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝，利用一步成膜法于鋁、銅、鋼及玻璃等基材表面制備聚合物納米纖維微-納米雙重織構超疏水自清潔涂層材料，其涂層于水下運動體及輸電導線表面表現出良好減阻降噪、自清潔防結冰效果（圖10），涂層與基材結合強度高，且具備優(yōu)異耐高低溫、耐酸堿介質、耐紫外氣候老化等工程應用性能（圖11），“自清潔防結冰玻璃絕緣子”及其工程應用示范推廣（圖12）。

超疏水應用研究——自清潔涂層材料研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝超疏水應用研究——自清潔涂層材料超疏水應用研究——自清潔涂層材料超疏水應用研究——超疏液制備液體殘留、污染和流動不暢是隨處可見的問題，例如衣服沾了油污難以洗凈，醫(yī)院里大量使用一次性容器來避免液體樣品的污染，諸如此類的問題都指向了一個普遍而重大的挑戰(zhàn)：開發(fā)特殊表面，使得各種液體包括高表面能的水溶液和較低表面能的液體（通稱為油）都能極少殘留及吸附，并且易于流動?？茖W家們借鑒了荷葉等自然界中的自清潔效應，開發(fā)了多種“超疏水表面”，但一般只適用于高表面能的水溶液，而對于種類繁多的低表面能液體卻無能為力。超疏水應用研究——超疏液制備液體殘留、污染和流動不暢是隨處可超疏水應用研究——超疏液制備為開發(fā)適用于任何液體的

“超疏液”表面，需要特殊的倒懸微納米結構，但其制備仍受限于重要瓶頸，包括工藝和材料互相耦合，僅可在少數材料上才能制備微納倒懸結構，而且微納倒懸結構的可控制備困難，如果采用化學方法難以精細控制結構，重復性差，而微納加工十分可控但需要昂貴的設備。超疏水應用研究——超疏液制備為開發(fā)適用于任何液體的

“超疏液超疏水應用研究——超疏液制備先在Si或是光刻膠基底上采用微機電系統(tǒng)（MEMS）工藝加工出規(guī)則、精確的“T”型微結構，然后澆注彈性體材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS），得到倒“T”型結構的PDMS軟印章，將多種可固化材料制成溶液澆筑到PDMS印章上并脫模，最后在成型的T型微結構上做低表面能修飾，就可以得到性能優(yōu)異的超疏液表面。超疏水應用研究——超疏液制備先在Si或是光刻膠基底上采用微機超疏液應用研究——超疏液制備超疏液表面的原理及軟復制工藝示意圖超疏液應用研究——超疏液制備超疏液表面的原理及軟復制工藝示意超疏水應用研究——超疏液制備由于“T”型微結構穩(wěn)定耐用，而PDMS印章便于脫模且可反復使用（不少于100次），因此1個微結構便可復制出100*100即1萬個相同結構、成本低廉的子模板，從而保證了性能可靠，并大幅稀釋了微加工成本。其典型接觸角對水和十六烷均高于150度，接觸角滯后低于15度，在經過10*10次轉印到PDMS、玻璃樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等可固化材料后，所獲得的超疏液表面均與母版性能相當。同時，此方法也賦予了超疏液表面更多材質特性，如柔性、透明、生物兼容性等等。

超疏水應用研究——超疏液制備由于“T”型微結構穩(wěn)定耐用，而P超疏水應用研究——超疏液制備軟復制后的Si基(a)及光刻膠基(b)子模板及柔性透明超疏液效果（c）超疏水應用研究——超疏液制備軟復制后的Si基(a)及光刻膠基由荷葉到超疏水表面由荷葉到超疏水表面荷葉自清潔效應“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖…….”北宋理學家周敦頤在《愛蓮說》中用這樣的詩句表達了對蓮花品性的熱愛。蓮花為什么會有“出淤泥而不染”的特性呢？荷葉效應圖片荷葉自清潔效應“予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖…….”荷葉自清潔效應荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟。這種特殊的結構有助于鎖住空氣，進而防止水將表面潤濕。水滴在荷葉上形成一個球形，而不是鋪展開來，像這樣的表面，就是“超疏水表面”。這種超疏水表面可以有效地防止被污水污染，并且表面的灰塵，雜質也會被雨水帶走。荷葉表面（左）以及其在掃描電子顯微鏡下的形貌（右，比例尺為1μm）荷葉自清潔效應荷葉本身是不沾水的，這是由于荷葉表面具有粗糙的荷葉自清潔效應荷葉具有超疏水的表面微觀結構，它的表面有細小的微觀粗糙結構，還包裹著不親水的表皮蠟，這些結構托起水滴，減小了固體和液體的接觸面積，使水滴處于“半懸空”的狀態(tài)。荷葉表面粗糙的微觀結構正是由于這些粗糙的凸起，導致水滴落在在荷葉表面時，刷子狀的細微突起和空隙中的空氣共同托起了水滴。荷葉自清潔效應荷葉具有超疏水的表面微觀結構，它的表面有細小的超疏水研究——水滴玩蹦床在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕表面，而如果是水滴從高處滴落到超疏水表面上，它們甚至還能彈跳起來。但是，如果是原本靜止的水滴，有沒有辦法能讓它自己“蹦起來”呢？最近，瑞士蘇黎世理工大學布里卡克斯（Poulikakos）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地彈跳了起來，這一發(fā)現于2015年11月4日發(fā)表在了《自然》（Nature）期刊上。超疏水研究——水滴玩蹦床在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕超疏水研究——水滴玩蹦床從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳超疏水研究——水滴玩蹦床從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳超疏水研究——水滴玩蹦床從疏水表面上自己跳起來的水滴超疏水研究——水滴玩蹦床從疏水表面上自己跳起來的水滴超疏用研究——水滴玩蹦床水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上，然后降低周圍的氣壓。當氣壓降低到一定程度之后，水滴自己就會蹦跳起來，并且還像蹦床運動員一樣能夠越跳越高。超疏水表面的柯西模型示意圖研究者們所使用的超疏水表面與荷葉也有類似的結構，當水滴“坐”在上面時，其實是刷子狀的細微突起和空隙中的空氣共同托起了它。超疏用研究——水滴玩蹦床水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實超疏水研究——水滴在玩蹦床在密閉環(huán)境下，當環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時，水分子的擴散就會加劇，從而加速液體蒸發(fā)。當然，蒸發(fā)的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當水滴“坐”在超疏水表面上時，水滴在下部的蒸發(fā)就會受到阻礙。超疏水表面的空隙是開放的，但即使如此，空氣在其中依然不能那么順暢的流動。這樣一來，隨著水滴的蒸發(fā)，在水滴下方水蒸氣就會聚集起來，產生一個過壓強。這個額外的壓強會給水滴一個向上的力，當壓力超過了重力加上水與基底的黏附力時，水滴會被頂得跳起來啦。當然，在設計超疏水基底的時候要保證結構足夠矮，足夠擁擠，才能使氣體流通不順暢。超疏水研究——水滴在玩蹦床在密閉環(huán)境下，當環(huán)境氣壓降低并保證超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴被彈起之后獲得了動能，當上升到一定高度之后自然會下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面時不會因黏附而損失很多能量，并且會在表面彈跳。積攢在凸起之間的水蒸氣讓水滴跳了起來超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴被彈起之后獲得了動能，當上升到超疏水應用——水滴在玩蹦床此外，碰撞時基底結構中的水蒸氣又會助水滴“一臂之力”，從而水滴在每一次碰撞時都會獲得一個加速度，進而越蹦越高，就像一個蹦床運動員一樣。和蹦床上的人一樣，水滴也可以越跳越高超疏水應用——水滴在玩蹦床此外，碰撞時基底結構中的水蒸氣又會超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴的跳動還可以帶動懸臂進行持續(xù)的振動。水滴帶動懸臂震動超疏水研究——水滴在玩蹦床水滴的跳動還可以帶動懸臂進行持續(xù)的超疏用研究——水滴玩蹦床萊頓弗羅斯特效應：在生活中，尤其是冬天用爐子燒水的時候，水滴在到處翻滾而不會潤濕爐子，最終蒸發(fā)殆盡，這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結果。萊頓弗羅斯特效應，在溫度遠超沸點的灼熱表面上，蒸汽托起水滴并推動它移動超疏用研究——水滴玩蹦床萊頓弗羅斯特效應：在生活中，尤其是冬超疏用研究——自動除冰除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示了更加酷炫的“冰滴飛起”現象。在同樣的低壓條件下，將過冷水置于超疏水表面上，隨著時間推移，過冷水結冰，而“結冰+低壓”同樣可以導致一個加速蒸發(fā)的過程，從而推動冰滴，使它從表面上騰空而起。自動除冰超疏用研究——自動除冰除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示超疏水研究——自動除冰環(huán)境因素限制了它的應用：對于需要預防結冰的表面，這種現象看起來是個好消息。不過，德國馬普所的福爾默（Vollmer）教授指出，盡管這一系列工作很酷炫，但如何應用它還是個難題。尤其在戶外的開放環(huán)境下，依靠降低氣壓來防止結冰很難操作。超疏水研究——自動除冰環(huán)境因素限制了它的應用：超疏水應用研究了解了超疏水原理和一些有趣的現象，那么在實際應用中到底有那些材料利用了這些原理呢？超疏水應用研究了解了超疏水原理和一些有趣的現象，那么在實際應超疏水應用研究油中實驗過程。污垢分別使用公園里的土壤（Soil）和室內的灰塵（Dust）充當，油選用十六烷（Hexadecane）和食用油（Cookingoil）。經過疏水涂料處理的表面被部分浸潤在油中，界面處撒有污垢。之后，研究者向表面滴水（為了便于分辨，水被事先染成藍色），以清除表面上的的污垢。以上實驗表現了疏水疏油超雙疏表面，這個想法來自于疏水材料的一點拓展，是根據豬籠草的自清潔效應來的，屬于仿生研究，可以達到除油的效果。超疏水應用研究油中實驗過程。污垢分別使用公園里的土壤（Soi超疏水應用研究經粘膠和超疏水涂層處理的表面，即便經過多次刀劃，也仍然保持自清潔功能超疏水應用研究經粘膠和超疏水涂層處理的表面，即便經過多次刀劃超疏水應用研究——自清潔涂層材料研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝，利用一步成膜法于鋁、銅、鋼及玻璃等基材表面制備聚合物納米纖維微-納米雙重織構超疏水自清潔涂層材料，其涂層于水下運動體及輸電導線表面表現出良好減阻降噪、自清潔防結冰效果（圖10），涂層與基材結合強度高，且具備優(yōu)異耐高低溫、耐酸堿介質、耐紫外氣候老化等工程應用性能（圖11），“自清潔防結冰玻璃絕緣子”及其工程應用示范推廣（圖12）。

超疏水應用研究——自清潔涂層材料研究人員采用傳統(tǒng)涂層固化工藝超疏水應用研究——自清潔涂層材料超疏水應用研究——自清潔涂層材料超疏水應用研究——超疏液制備液體殘留、污染和流動不暢是隨處可見的問題，例如衣服沾了油污難以洗凈，醫(yī)院里大量使用一次性容器來避免液體樣品的污染，諸如此類的問題都指向了一個普遍而重大的挑戰(zhàn)：開發(fā)特殊表面，使得各種液體包括高表面能的水溶液和較低表面能的液體（通稱為油）都能極少殘留及吸附，并且易于流動?？茖W家們借鑒了荷葉等自然界中的自清潔效應，開發(fā)了多種“超疏水表面”，但一般只適用于高表面能的水溶液，而對于種類繁多的低表面能液體卻無能為力。超疏水應用研究——超疏液制備液體殘留、污染和流動不暢是隨處可超疏水應用研究——超疏