荷叶效应的研究 - 复旦大学物理教学实验中心fudan physics .docVIP

荷叶效应的研究 刘双平 俞 熹 （复旦大学物理系，上海 200433） 摘 要 荷叶效应源于物体表面微米-纳米结构带来的超疏水性。本文通过较为简便的实验装置，研究了超疏水表面的水滴形态；在MATLAB环境下，利用图形工具箱(IPT)对数字图像进行处理；结合Runge—Kutta算法和Newton— Raphson迭代法，通过拟合Young—Laplace方程实现了对接触角较高精度的测量；并在此基础上，定性地研究了Wenzel态和Cassie态下水滴润湿性质的不同以及超疏水表面对于不同粒度的沙粒的自清洁能力，对认识荷叶效应这一自然界中的常见现象提供了简便而直观的方法。 关键词 荷叶效应；超疏水；自清洁；接触角；Young-Laplace公式；数字图像处理 1 引言 荷花（Nelumbo Nucifera）被认为是纯洁的象征，这一说法源于荷叶所具有的独特的“荷叶效应”：水滴能在荷叶表面自由地滚落，同时带走其表面的灰尘和杂质。荷叶的这种自清洁效应与荷叶表面的超疏水性有着密切联系；W. Barthlott等通过对荷叶表面结构的观察和分析[1]，揭示了荷叶表面的微米和纳米级的结构是导致超疏水性以及自清洁效应的关键。这一发现对于仿生学有着重要的意义：通过模仿荷叶的表面结构，人们可以制备出人造超疏水表面[2][3][4]，并由此衍生出大量的实际应用[5][6]，如建筑表面的防水防尘，衣物的防污等。 因此，研究荷叶效应的特性对于认识物体表面的润湿性以及其在实际中的一些应用很有帮助。目前市场上用来研究表面润湿性的仪器价格较为昂贵，且使用方法比较复杂，这就为初步研究荷叶效应的相关特性以及相关演示实验的设计设置了很高的门槛。本文通过组合一些常见的简便仪器，观察到微小液滴在超疏水表面的形态，并结合MATLAB的数字图像处理技术较为精确地测量出了相应的接触角；同时对该超疏水表面对于不同粒度灰尘的自清洁能力进行了定性的研究。该实验装置和流程简单易行，同时结合了定量和定性研究两种实验方法，对学生进行荷叶效应的初步探究以及相关教学演示实验提供了很好的解决方案。 2 荷叶效应的物理基础 2.1 接触角与液滴形状的描述 接触角是指水滴在与固体接触时，接触处的切线与固体表面所成的角（图1–a）。当这个接触角不小于150°时，该固体表面可以认为是超疏水表面[7]（图1–b）。 固体表面的液滴形状可以用Young—Laplace 公式描述：  其中是液滴表面的压强，为水的表面张力，和为液滴某一点的两个主曲率半径。对于重力场下的轴对称液滴，只需取出液滴沿固体平面垂直轴的一个截面进行研究。利用相关的几何关系，可以将(1)式写为[8]（图2）： 其中、为图2中的相应坐标，为液滴轴对称顶点的曲率半径，为液面两相的密度差，为重力加速度，为过曲线上某一点的切线的斜率值。(2)式是对液滴形状进行拟合的理论基础。 2.2 液滴形成的状态：Wenzel态和Cassie态 为了描述粗糙表面上液滴的接触角，R. Wenzel[9]和A. Cassie[10]分别提出了两种液滴和表面接触的模型。R. Wenzel认为液滴将粗糙固体表面所有凹凸处均填满（图3–a）；而A. Cassie认为在液滴与表面接触处形成三相接触，在固体表面的凹陷处填充有少量空气（图3–b）。 事实上，H. Kusumaatmaja等通过在超疏水表面研究液滴的蒸发凝结过程得出结论[11]：Wenzel态和Cassie态实际上是液滴在不同初始条件下所达到的不同亚稳态；从一种态变化至另一种态需要越过很大的能垒，液滴在该过程中会自发碎裂。因此，改变液滴的形成方式，可以改变其在粗糙固体表面的状态，从而改变固体对于液滴的润湿性能。 2.3 自清洁效应 自清洁效应实际上是超疏水表面的动态润湿行为。当水滴在超疏水表面运动时，其一定处于Cassie态（在Cassie态下，水滴与固体表面接触的表观面积中有很大一部分实际上是与空气直接相接触，因而当水滴发生运动时，摩擦阻力相对较小）。此外，水滴的表面张力使得其形状接近于球体，因此水滴在超疏水表面上的运动类似于球体的滚动。当水滴遇到尺寸相对其自身直径较小的杂质时，其对于杂质的粘附作用（表面张力）远大于固体表面对该杂质的粘附作用，于是可以将杂质吸附于液体表面并逐渐将其包裹在液滴内部，使之随液滴的运动一起运动（图4），从而实现了杂质的清除即自清洁效应。 3 实验器材和装置 3.1 测量超疏水表面的接触角 实验中采用的装置简图如图5所示。 实验中采用超疏水涂料（购自上海市叶香枫环保科技发展有限公司）制备超疏水平面，其标称接触角为160°，主要用于木材、石料表面；成像CCD采用的是Canon IXUS-75相机；透镜组的放大率约10倍。LED光源的作用是产生强光将