生物表面的疏水自潔研究

畢語涵 孫剛 房巖

(長春師范大學生命科學學院 吉林 長春130032)

1 引言

超疏水表面是大自然中一種極為常見的現(xiàn)象,例如蝴蝶的翅膀，水黽的腳，水鳥的羽毛都具有超強的疏水性,荷葉的表面就具有很強的疏水性和自潔凈功能，這種特性使得蝴蝶可以在雨中自由飛行,水黽可以在水面滑行而不至于沉沒,水鳥的羽毛可以不沾水，人類很早就注意到生物體的這些功能,并意識到這些功能有可能給人類帶來意想不到的好處,因此早在60多年前,就有學者開始了固體表面疏水性和浸潤性的研究[5]。人們發(fā)現(xiàn)自然界許多生物的表面具有自清潔性，當有污染物落到其表面上時，它們能夠很輕易地達到自清潔目的，而要想清洗同等面積的人工表面卻要花費幾倍的努力。

所謂的超疏水性是指水滴與固體表面的接觸角大于150°[6]。自然界中存在許許多多超疏水的狀態(tài)，除了Wenzel態(tài)，Cassie態(tài)，還有Lotus態(tài)，Gecko態(tài)，以及介于Wenzel態(tài)和Cassie態(tài)之間的超疏水態(tài)[7]。隨著人們研究的深入發(fā)展，研究學者們發(fā)現(xiàn)了更多的超疏水態(tài)，例如Cassie滲透浸潤態(tài)。這種超疏水態(tài)不僅具備更大的接觸角，而且具有較大的接觸角滯后，例如水稻葉片可以讓水滴向著植株根莖方向滾落，以便根能收集到更多的水分,水禽類的羽毛可以讓水滴沿著羽毛的排列方向運動，而不會全身浸濕等[8]。

2 植物表面的疏水自潔研究

1871 年DeBary[9]首次利用光學顯微鏡對植物表面上的蠟質進行描述，并對蠟質晶體進行測定。之后不斷有人對植物表面進行分析，認為植物表面疏水性與其體表的蠟質有關，很多研究表明植物的許多物理性質都是由表皮薄膜分泌出的蠟質晶體引起，蠟質晶體在表面上的分布和它們特有的化學性質形成了疏水性。1971年Baker和Holloway[10]用掃描電子顯微鏡對6種植物的葉、果、莖表面進行研究，并對這些植物表面上蠟質晶體的形狀等因素進行了描述和比較，認為蠟質晶體的形狀、尺寸之間的差異導致了疏水程度的不同。1997年Barthlott等人用土壤和石英灰等9種微粉作污染物對8種植物葉面進行人工污染，然后用天然雨和人工雨進行清洗試驗[11]。結果發(fā)現(xiàn)，對于疏水性的葉面，落到葉面上的水會迅速收縮成球狀滴，葉面經小于50角傾斜后球狀水滴即快速脫落而不殘留任何污染物，葉面上的毛狀體和刻劃等微觀粗糙結構有利于粉末狀污染物的脫附，這種自清潔功能與污染物的尺寸和化學性質無關。而對于具有700接觸角的光滑葉面，落到葉面上的水滴收縮成半球狀，水滴在葉面傾斜角達到100～300時才發(fā)生脫落，且脫落速度相對較慢。對于接觸角很小的光滑葉面，落在葉面上的水很快鋪展，當葉面傾斜角大于400時水滴才發(fā)生部分脫落。植物葉面蠟質材料和微觀粗糙結構的綜合作用使得葉面對顆粒污染物具有自清潔功能，這被稱為“荷葉效應”[12]。

3 動物表面的疏水自潔研究

人們很早就注意到鵝鴨等水禽能在水中游動且羽毛不濕，而另外一些鳥類進入水中后羽毛由于沒有疏水性而很快潤濕。后來，人們發(fā)現(xiàn)水禽的羽毛表面有一層類似油脂的物質，這種油脂要比另外一些鳥類羽毛上面的油脂疏水。中國古代勞動人民借鑒這一點，就利用熟桐油脂,每年定期刷木船，改變木質結構，防止漏水并提高船的航行性能。最早對動物體表的研究報道見于1951年，BoPhilip等人[13]用電子顯微鏡對普通白色家禽的羽毛進行了研究，認為可能是羽毛的表面形成了一層不可潤濕的薄膜，從而導致了疏水性。當時人們普遍認為動物體表疏水是由一層不被潤濕的薄膜引起。而后不斷有人從不同角度對鳥類的羽毛表面、昆蟲翅膀表面、海洋動物與土壤動物的體表進行研究。

中國科學院化學研究所江雷[14]的研究發(fā)現(xiàn)，水黽能生活在水面上，站立或快速行走，并不是依靠分泌的油脂所產生地表面張力效應。盡管水黽腿部表面油脂是疏水的，但它所提供的表面張力是非常小的，只可以支撐水黽站立在水面上，卻不足以支持水黽在水面上快速奔跑，因為稍微的接觸或其他的擾動就會使它沉沒。在水黽的腿上覆蓋有無數取向的針形的細小鋼毛，這些鋼毛的長度大部分是50nm,直徑從根部的1～3nm漸變至尖部的幾百個納米，在每個鋼毛的表面還有更加精細的螺旋的納米尺度的溝槽結構，正是這種特殊的微納米結構，使得空氣能夠被有效地吸附在這些微米鋼毛和納米溝槽的縫隙內，在其表面形成了一層穩(wěn)定的氣膜，從而阻礙了水滴的浸潤，水黽是利用其腿部特殊分級的微納米結構效應實現(xiàn)了超疏水的屬性[15]。允許它在水面上踩出4mm深的水渦也不會刺破水面。對其腿的力學測量表明：僅僅一條腿在水面的最大支持力就達到了其身體總重量的15倍。正是水黽在水面上的這種超強的負載能力，允許它站在水面上，并能快速地奔跑和跳躍，即使在暴風驟雨或湍急的水流中也能行動自如。這一新的發(fā)現(xiàn)將有助于指導設計出新型的微型水上機器，比如：不會沉沒、低的流體阻力、快速的推進能力、驅動耗能低，不會產生污染與環(huán)境友好[16]。房巖等首次比較系統(tǒng)地對蝴蝶翅膀表面的非光滑表面結構的微觀形態(tài)進行系統(tǒng)分類研究，同時對蝴蝶翅膀表面的疏水性與自清潔性進行了研究，并得出了蝴蝶翅膀非光滑鱗片結構引起了疏水性與自清潔性的結論。并建立了相應的數學模型及方程[17]。

4 研究展望

盡管人們已經提出了一些理論假設和數學模型來解釋微細結構粗糙表面對表面潤濕性的影響，但它們還存在一些理論和技術上的缺陷，還有許多復雜的情況沒有解決?，F(xiàn)在的大多數人工表面的制作方法成本高,過程復雜,而且需要使用苛刻的化學條件,或者不能進行大范圍制造超疏水表面.仿生學是研究生物系統(tǒng)的結構、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程設計提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的技術科學。仿生工程實質上就是模仿生命體功能的工程，是自然界中高度學科交叉的實例，它集合了材料、結構、機械原理、計算和控制、設計整合、最優(yōu)化、功能性和消耗有效性等。但由于條件的限制，目前僅僅是停留在對表面現(xiàn)象及表面形態(tài)研究上，而沒有對其疏水機理及影響疏水性的各個復雜因素的權重關系進行深入探討。生物體表面為抵御雨、霧、露,以及塵埃等不利因素的侵襲，經過長期的進化，形成了反粘附、非潤濕的超疏水自清潔功能。探討生物非光滑表面微納米結構對浸潤性質的規(guī)律及其機制的影響規(guī)律。這為提高仿生材料表面的疏水性和自清潔性能研究提供了新的途徑和思路，在材料工程等領域有廣闊應用前景。對生物表面的表面效應、尺寸效應、多尺度效應和跨尺度效應的研究將是未來表面研究的發(fā)展方向[18]。

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