荷叶效应与纳米涂层Comments

荷叶效应与纳米涂层Comments|Tags标签：原创,材料,涂料,荷叶,超疏水表面云无心发表于2009-03-2920:05(本文刊发于《百科知识》)雨过天晴，让我们来看看叶子上的水珠吧。多数的叶子上，水珠是这个样子的。（图片来源：）有的叶子上，水珠晶莹剔透，可以滚来滚去，就象下面的荷叶。即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。如果建筑物的外墙、露天的广告牌等等表面也象荷叶一样，不就可以永保清洁而免去清洗的麻烦了吗？这种具有“自清洁”能力的表面，在人们搞明白了“出污泥而不染”的原因之后，通过应用纳米技术已经实现了。一、从接触角谈起为什么有的叶子上的水珠是球形，可以滚来滚去，有的叶子上却很扁，乖乖的呆在一个地方不动呢？让我们看看下面这幅图：一滴水在固体表面上，整个图中有三个界面。红色的是固体和水的界面，蓝色的是固体和空气的界面，黑色的是水和空气的界面。黑色的的那个界面是弯曲的，如果我们从红色黑色和蓝色交界的地方沿着黑色曲面的方向画一条线来，就叫做那个曲线在那个点的切线。在图中，就是绿色的那条线。红线和绿线之间有个夹角，我们把它叫作“接触角”。如果接触角很大，是什么样子呢？当接触角很大的时候，水珠就呈现球形，水和叶子接触的地方（相当于上面这幅图中的红线）非常小，水不会再一个地方呆着，整个水珠可以滚来滚去。如果接触角很小，又会是什么样子呢？这就是一般的叶子上水珠的形状。扁扁的，水和叶面的边界很大（就是红线很长）。接触角很小，水珠也不能随便移动。进一步想，如果接触角非常小，比如说是零度了，会是什么情况呢？没错，没有蓝色的线了，所有的固体都被水给占了。日常生活中，如果我们的碗或者玻璃不太干净，比如说有油，那么就触角就会比较大，我们就能看到水珠。如果用洗涤灵把它们洗得很干净，放滴水上去，水就立刻铺开，看不到水珠了。接触角物理原因有点抽象。我们需要从表面能的概念出发来理解：增加任何两种物质的界面，都需要一定的能量，这个量在数值上等于这两种物质构成的界面的界面张力。我们比较熟知的表面张力是空气和水的界面张力。其实不仅是空气和液体之间，空气和固体，液体和固体之间也存在着界面张力。再看看上面的图，一滴水放在固体表面制造了三种界面：黑色的空气和水的表面，红色的水和固体的界面，还有蓝色的空气和固体的界面。把各自的界面张力乘以界面面积，加起来就得到了整个体系的界面能。具体的数学推导就不作了，我们来考虑两种极端情况。如果气固界面张力很大而液固界面张力很小，显然大自然倾向于把水滴完全铺开，（谁都喜欢干省力气的活），这就是洗干净的普通玻璃的情况。相反，如果液固界面张力很大而气固界面张力很小，大自然很倾向于让空气与固体接触而让液体一边呆着，这就是荷叶或者羽毛的情况。而中间的情况，气固和液固两个界面张力谁也没能一统天下，接触角就是双方妥协划分势力范围的结果。其背后的决定因素还是大自然喜欢省力气，即整个体系的表面能最低。在具体划分的时候，空气和液体之间的表面张力也会跳出来插一杠子，所以接触角是由固体、液体、气体三方相互之间的界面张力来决定的。如果我们不想让水留在固体表面，就要增大接触角。比如说，水在一般的布上接触角很小，水到了上面就把布打湿了。但是用布来做雨伞的时候，我们把一些特殊的物质涂在布上，这样布的接触角就变得很大，就不会被雨水打湿了。我们的头发，还有许多动物，象猫啊狗啊，一下雨就被打湿了。鹅和鸭这些动物的毛就不会被打湿，往它们身上浇点水，它们一扑腾，水就掉光了。这也是因为水在我们的头发，或者猫狗毛上的接触角很小，而在鸟的羽毛上就很大。二、荷叶效应人们知道接触角和表面张力已经很多很多年了，但是很长的时间内却无法作出荷叶那样的表面来。也就是说，人们找不到那么疏水的物质，可以是使接触角象荷叶表面那么大。荷叶表面，有着什么样的秘密呢？直到二十世纪七十年代，因为扫描电子显微镜的使用，人们才开始明白荷叶高度疏水的原因。下面是用电子扫描显微镜“看”到的荷叶表面。荷叶表面原来非常的粗糙！左边的照片上的标度是20微米（微米是千分之一毫米），也就是说，荷叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起。如果把这些突起继续放大，如右边的图，每个突起上还布满了更小的突起，或者说细毛。荷叶的超强疏水性，原来不仅跟表面疏水性有关，还跟这种超微结构有关。为什么这样的“粗糙”结构就能产生超强的疏水性呢？我们来看下面的图：前面说了，接触角的形成是减小整个体系总界面能的结果。对于一个疏水的固体表面来说，当表面不平有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，水与固体的接触面积会大大减小。具体的数学推导在这里就省略了，总之，科学家们可以从物理化学的角度用数学来证明：当疏水表面上有这种微细突起的时候，固体表面的接触角会大大增加。当接触角不是特别大的时候，象第一副图中的草叶上，水滴呈半球形，而半球形是无法滚动的。如果有了这种超微结构，象荷叶表面，接触角接近180度，水滴接近于球形。而球，可以很自如地滚动。即使叶子上有了一些脏的东西，也会进入水中被水带走。这样接触角非常大的表面（通常大于150度），就被称为“超疏水表面”，而一般的疏水表面只要接触角大于90度就行了。超疏水表面的特性就在于：水在上面形成球状滚动，同时带走上面的污物，这样的表面就具有了“自清洁”的能力。三、荷叶效应的应用——“自清洁表面”自然界里具有“自清洁”能力的超疏水表面，除了荷叶之外，还有芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种自清洁除了保持表面的清洁，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。象荷叶芋头这样的植物，即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。即使有病原体到了叶面上，一下雨也就被冲走了。如果不下雨的话，叶面很干燥，病原体还是生存不了。明白了荷叶效应的物化原理，科学家们就开始努力模仿这种表面。有了正确的理论指导，应用研究的发明进展很迅速。现在，材料学家们可以通过表面处理产生这样的超疏水表面，也可以用疏水的微米或者纳米粒子做成涂料，来产生自清洁涂层。具体的技术这里就不介绍了，下图是一个仿荷叶表面的例子，是不是跟前面图中的荷叶表面非常相似？下面的图是水滴在这种材料表面的形状。材料是相同的，右边是光滑的常规表面，左边是按照荷叶效应做出来的超疏水表面（仿荷叶表面）。在光滑表面上，水滴不会滚动，如果把表面倾斜，它只能滑动，不能有效地把表面上的污物带走，类似于第一张照片中草上的水滴。而仿荷叶表面上的水滴接近球形，如果把表面倾斜，它就可以滚动，从而把表面上的污物带走。在1997，“荷叶效应”这个词的英文“LotusEffect”甚至被注册成了商标。随后的几年中，基于“荷叶效应”的涂料问世，在越来越多的建筑中得到了应用。根据该公司自己提供的数字，现在已经有几十万座建筑使用了这种涂料。下图是效果图，水滴滚过的地方，脏东西被带走，留下了干燥清洁的表面。