具有特殊浸润性的各向异性微纳米分级结构表面构筑的研究进展分析.docVIP

具有特殊浸润性的各向异性微纳米分级结构表面构筑的研究进展分析 　　物竞天择，适者生存。在长期优胜劣汰的压力下，自然界中的植物和动物为了适应复杂多变的环境，经过约45亿年的不断进化、自我修复和完善，形成了独特的、近乎完美的结构和功能，使其得以生存和发展。道法自然，向自然学习，向生物进军，利用生物体中近乎完美的微型物质传输系统探索和开发新奇的高效率、低能耗的物质运输系统是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域，己成为材料、化学、物理和生物等学科交叉研究的前沿热点之一。表面浸润普遍存在于自然界中，通过生物进化和自然选择，使多样的生物表面展示出有利的浸润性能，从而更好的生存。其中，关于微液滴在表面的方向性可控操控的研究由于其在微流控芯片、生物传感器、高效集水以及液体的定向无损传输方面的重要应用而成为目前研究的一个热点内容。 　　固体的表面浸润性取决于固体材料表面能以及基于表面微观拓扑结构的表面粗糙度。一些植物是通过其表面特殊结构和化学修饰来实现浸润性的，例如，荷叶表面就是通过这种方式来达到超疏水性能，从而实现自洁能力的。同样，一些动物，甲壳虫也是依靠其翅膀表面的明显的各向异性浸润性能来实现水滴的定向收集或者排出，使其更好的适应环境，实现物种传递。受到自然界生物表面结构的启发，人们通过大量实验来研究生物表面结构及其相关的应用。材料的物理化学性质往往由于其不对称的微纳米结构而具有很强的方向性，即各向异性。要想确定材料的各向异性性质，需要考虑一系列的因素，例如，材料的结构和几何形状的不对称性、外部应力或接触的不对称性、表面和边界条件的不对称性、关于应力应变等物理性质的不对称性以及由于物体运动而带来的不对称性等。 　　各向异性浸润是指液体及其伴随的浸润性质在材料表面的不均匀分布。各向异性也称“非均质性”，是图案化结构表面的重要特征之一。自然界中许多生物表面都表现出了典型的定向浸润的性能，即表现出各向异性的浸润性，例如，水稻叶片为了收集更多的水分而使水滴向着植株根茎方向滚动;鸟类羽毛为了保持表面干燥可以让水滴沿着羽毛的排列方向运动;蝴蝶翅膀也可以令水滴在其表面沿着固定方向滚落，从而避免身体被水滴沾湿。这类生物表面浸润性之所以呈现出明显的各向异性，正是由于其特殊的微纳米分级结构，例如，水稻叶片上的定向乳突排列，蝴蝶翅膀的微米级鳞片定向堆叠排列结构。研究分析表面各向异性浸润的原理，尤其是材料表面的微纳米分级结构与浸润性的关系，可以进一步完善表面浸润性理论，具有着重要的理论研究以及实际应用价值，比如，将其应用于微流体运输研究、干旱地区收集水源等。本文就目前各向异性微纳米分级结构表面的构筑及其表面的特殊浸润性进行了总结，并展望了该领域的一些重要应用前景。 　　1自然界的各向异性材料 　　在自然界中，许多天然生物材料表面表现出各向异性浸润现象，例如，鸟类的羽毛或植物的叶子等。蝴蝶翅膀是一种典型的各向异性表面。水滴在沿着鳞片结构远离蝴蝶身体中心的方向很容易滚落，具有较低的滚动角;但逆着鳞片结构朝向蝴蝶身体中心的方向却牢牢地粘附在翅膀表面，即使将翅膀竖直放置液滴也不会掉下。在对蝴蝶翅膀微观结构的观察中发现，蝴蝶翅膀表面交叠覆盖着微米尺寸的鳞片，每一个鳞片上又有排列整齐的纳米条带，每条条带由倾斜的周期性片层堆积而成，这种取向性的微结构能够调控水滴在翅膀表面的运动行为，使其处于不同的超疏水状态，从而产生不同的粘附力。当翅膀向下倾斜时，取向的纳米条带及微米鳞片互相分开，这种情况下，水滴在翅膀表面是。态接触，所以容易发生滚动。当翅膀向上倾斜时，纳米条带和微米鳞片紧密排列，此时水滴在翅膀表面是一种Wenzel态接触模式，从而使得水滴可以粘附在翅膀表面。虫胡蝶通过调控翅膀不同的转动角度，就可以调控水滴在翅膀上滚动或粘附。这种特殊水滴各向异性粘附，使得蝴蝶在飞行过程中，可以定向地将水滴从翅膀上移出，既清洁了表面，又避免了翅膀表面被水浸湿。 　　除了蝴蝶翅膀外，水稻叶表面也具有各向异性粘附特性。在稻田间，我们会注意到这样一种现象:水滴在水稻的叶子表面始终是沿着平行于叶子边缘的方向滚动，而在与叶子边缘垂直的方向上很难运动。通过对水稻叶表面微观结构的观察，人们发现，它的表面与荷叶表面一样也有微米级大小的乳突，只是这些乳突的排列方式与荷叶表面有所不同。水稻的叶子表面是由许多具有纳米级突起的微米级乳突状异质结构有序排列而成的，这些微乳突结构沿叶子边缘方向呈准一维方式排列，即乳突在平行于叶片边缘的方向上是有序的，而在其他方向是无序的。正是这种特殊的取向结构，使得水稻表面的水滴呈现出不同于荷叶的各向异性粘附性。沿着叶子边缘方向，水滴很容易滚落，但是，沿着与之垂直的方向，水滴的滚动明显变得困难，最终使得水滴相对于其他方向来讲，更加容易沿着叶片边