表面多尺度微納結(jié)構(gòu)對超疏水特性的影響.pdf

1、為了設(shè)計出理想的人造超疏水表面,國內(nèi)外學(xué)者對自然界中超疏水表面進行了廣泛的研究。研究表明,自然界中幾乎所有的超疏水表面均是由本征梯度結(jié)構(gòu)所構(gòu)成,但是,多尺度梯度結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)是如何影響表面的潤濕性能,其內(nèi)在物理機制仍不清楚。特別是,多尺度梯度結(jié)構(gòu)對超疏水表面作用在理論上的定量研究很缺乏。
　　本文利用二維模型對不同重數(shù)粗糙尺度的結(jié)構(gòu)表面進行熱力學(xué)分析,分別對不同重數(shù)粗糙尺度的結(jié)構(gòu)表面的復(fù)合態(tài)自由能和自由能壘進行了計算,同時定量地分

2、析了不同重數(shù)粗糙尺度的結(jié)構(gòu)、相對高度以及相對柱寬對平衡接觸角、潤濕轉(zhuǎn)換以及自由能壘的影響。最后,計算了液滴在二重階層粗糙微納結(jié)構(gòu)表面沿不同方向移動所對應(yīng)的平衡接觸角、前進接觸角、后退接觸角和接觸角滯后,并且討論了其潤濕行為的各向異性以及振動能對其的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.利用二維模型對不同重數(shù)粗糙尺度的結(jié)構(gòu)表面進行熱力學(xué)分析,結(jié)果表明:從不同放大程度的典型自由能壘曲線可以看到,多重粗糙尺度微結(jié)構(gòu)表面的微米和納米結(jié)構(gòu)

3、可以將大的自由能壘分裂成多個小的自由能壘,故可以降低液滴移動所需克服的自由能壘。對于非常小的液滴,第二級或第三級(即亞微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu))在抵擋其浸入粗糙微結(jié)構(gòu)溝槽起著主導(dǎo)作用,這有助于提高超疏水復(fù)合潤濕態(tài)的穩(wěn)定性。
　　2.以二重粗糙尺度微結(jié)構(gòu)表面為例,進一步地討論了相對柱高和相對柱寬對平衡接觸角、潤濕轉(zhuǎn)換以及自由能壘的影響,計算結(jié)果表明:較大的相對柱高(大于0.75)可以形成更穩(wěn)定的復(fù)合態(tài),而較小的相對柱寬(小于1)能夠帶來更大

4、的平衡接觸角和較小的接觸角滯后。
　　3.研究了不同重數(shù)粗糙尺度的結(jié)構(gòu)表面對平衡接觸角和自由能壘的影響,結(jié)果表明:在微結(jié)構(gòu)表面具有同一參數(shù)比的情況下,三重粗糙尺度微結(jié)構(gòu)表面具有最大的平衡接觸角和最小的后退能壘。
　　4.討論了二重粗糙尺度微結(jié)構(gòu)表面潤濕行為的各向異性以及振動能對其的影響。結(jié)果表明:復(fù)合潤濕態(tài)下的平衡接觸角具有各向同性,然而非復(fù)合潤濕態(tài)下的平衡接觸角具有明顯的各向異性;增加外界振動能均可減少非復(fù)合和復(fù)合潤濕態(tài)的