荷叶表面的二元复合结构及其疏水性_杨晓东
2006年3月 吉林工程技术师范学院学报(自然科学版)
第22卷第3期 JournalofJilinTeachersInstituteofEngineeringandTechnology(NaturalSciencesEdition)Mar 2006Vol 22No 3文章编号:1009-9042(2006)03-0001-05
荷叶表面的二元复合结构及其疏水性
杨晓东,尚广瑞,李雨田1,221*
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130022;
2.吉林工程技术师范学院,吉林长春130052)
摘 要:荷花(NelumbonuciferaGaertn.)是一种具有自清洁功能是水生植物,其叶表结构形态对其良好
疏水性具有重要作用。通过模拟荷叶表面的结构形态可为开发与研制疏水表面仿生产品提供设计依
据。本文对处于生长期和枯萎期的荷叶正反表面进行了扫描电镜(SEM)分析,并对其接触角进行了测
量,结果表明:荷叶表面在干鲜状态下,与水的接触角存在不同,鲜叶的接触角由于表面水分饱满,表面
蜡质含量相对较大而小于干叶的接触角(CA);对同一荷叶样本,无论是鲜叶还是干叶,背面接触角略大
于正面接触角3~5 ;荷叶背部表面形貌特征为一阶半球单元和其上二阶微小网格凹坑单元的半球型
复合结构(SCS-Semi-sphereCompositeStructure);荷叶正面形貌特征为一阶锥型单元和其上二阶微小
针形(1~3 m)单元的锥型复合结构(CCS-ConeCompositeStructure);测试结果说明荷叶正反面具有的
二元复合结构都表现出超疏水(Super-hydrophobic)特性(CA>150 ),并初步分析了荷叶疏水的表面形
貌结构特征及疏水原因在于非光滑形貌几何单元及其分布密度。
关键词:荷叶;表面形态;二元复合结构;疏水性;乳突
中图分类号:Q944.56 文献标识码:A
ResearchforsurfacemorphologyandwaterrepellencyofLotusleaf
YANGXiao dong,SHANGGuang rui,LIYu tian
1.ChangchunInstituteOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofScience,ChangchunJilin130022;
2.JilinTeachersInstituteofEngineeringandTechnology,ChangchunJilin130025,China)
Abstract:Lotus(NelumbonuciferaGaertn.)flowerownedself cleaningabilitiesisakindofaquaticplants.Lo-tusleaveskeepthemselvesspotlessbecausecountlesstinyprojections,coatedwithwater repellentwax,covertheirsurface.Watercannotspreadoutontheseleavessoitrollsaroundasdroplets,removingdirtandgrimasitgoes.Chemistsandengineershaveattemptedtocopythislotus effect(orsuper hydrophobic)fordecades.TheLotusleavesdividedinto2groups,oneislivingsamplesandtheotherisfriedsamples,areanalysedbySEM(ScanningMicroscopy)attheup backsurfaces,andthecontactangles(CAs)withwaterdropletsaredeter-mined.TheresultsshowedthatthedifferencebetweenCAsofthesamesampleatup backtwosurfacesisobv-ious.ThebackCAsareusuallylargerthantheupfaceofLoutsleavesatfriedandlivingcases.Thereasonsoftwo收稿日期:2006-02-18
作者简介:杨晓东(1965- ),男,吉林榆树人,吉林工程技术师范学院教授,工学博士,主要从事工程仿生设计和激
光精密加工技术的研究。
*基金项目:中国博士后科学基金资助项目(2003034350)。1,221
casesmini differenceCAsmaybeduetosurfacestructuresandwaxycontentsofleafsurfacelayers.ThehigherwaxcontentforthefriedsamplecauseslargerCAsthanthelivingleavessample.Thebackmorphologicalcharac-teristicsoftheLoutsleavespossessedsemi sphereonwhichnettedconcavescompositestructures(SCS).Theup surfacemorphologicalhydrophobicshapesiscone shapedandmanymini protrusionsonconicalsurfaces(CCS).Themicro structureunitanditsdistributiondensityonthesurfacesofLoutsaremainfactorsofforminglargerCAs.Itisofgreatimportanceforbionicsengineeringsurfacesdesignwithspecialfunctiona,leg.Hydropho-bicorhydrophilicsurfaces,toduplicateLoutsleafsurfacestructuresaccordingtoitsmorphologicalinformation.Keywords:lotuslea;fsurfacemorphology;bi unitcompositestructure;hydrophobicity;papillose
荷花(Lotus),又称莲花,是多年生大形草本;具长的根茎;叶根生,有长柄,具刺状突起,叶片盾形,伸出水面。属于睡莲科(Nymphaeaceae)莲属(Nelumbo)水生植物。近年来,科学家们对荷花具有的自清洁功能(Self cleaningeffect)的兴趣日益浓厚,通过对荷叶表面结构、形态和组织进行模仿或复制而研制出不
[1 7]粘水不粘油的材料,并已取得了一定进展。图1分别是水滴在荷叶表面的状态图片和一种生活在纳
米比亚沙漠中的能通过自身表面突起收集露水的甲虫。1997年,Barthllot发现荷叶表面的微型结构为1 m细的蜡状毛刺,并认为这是荷叶不粘水的根本原因,并根据这一现象提出 荷叶效应(LotusEffect) 原理,德国克莱维斯公司和弗劳恩霍夫研究所于2000年初在莱比锡建材展览会上推出一种具有广泛应用范围的不粘水、抗污染的特殊塑料薄膜,引起了科学家和企业界认识的普遍关注。事实上,制备出这种具有超级疏水防粘特性的表面不仅对基础研究具有重要意义,而且在实际中也具有巨大的潜在应用价值,比如,在纺织物、交通信号、轮船外壳、各类管道、建筑材料、汽车玻璃、卫星天线等许多方面均可大有作为。但到目前,对荷叶表面在生长期(活体)与枯萎期(离体)正反表面的形貌结构单元的异同性以及与水的接触角变化规律还未见有深入的研究报道。
本文针对荷叶在生长期与枯萎期两种状态下,叶子正反两面结构形态进行了扫描电镜分析,以期进
一步得到一些有益于疏水表面产品设计的仿生结构信息。
1 实验材料与方法
1.1 采样种类
采得荷花鲜叶与干叶(泛黄枯叶)数片,经蒸馏水洗净后分别装入
试样瓶内,并用乙醇、甲醛和冰乙酸配制的固定剂固定一周。取鲜叶
和干叶两种样本,是考虑到荷叶在鲜叶(活体)与干叶(离体)两种状态
下,都表现出良好的疏水性,基于同样理由,对实验样本的正面和背面
进行对比分析。
1.2 实验仪器图1 水滴在荷叶表面取出经固定剂浸泡过的试样,在水银灯下烘干后,用剪刀剪取约Fig.1AwaterdropontheLotusleaf1cm2,再用双面胶带粘贴在铝柱上,经镀金处理使其表面镀金层的厚
度约在20nm,每组4个试样一起放在JSM 5310(ScanningMicroscope)下观察并拍照,所得不同倍数与部位的照片见图3至图8所示。
2 表面结构与形态
从实验样本电镜照片看,荷叶表面的正面较大的近锥形(乳突状)几何单元体,其大小近为底径10 15 m,高度为3 4 m,分布密度为2000-2500个/mm2,近锥型几何单元体上又密布着更小的针状毛刺(见图3,图5);而荷叶背部几何单元体形状近为表面上分布网格状凹坑的半球形,半球的半径为200-300 m,其表面网格状凹坑单元的尺度为20-40 m,半球单元的分布密度为10-20个/mm2;半球上网格的密布整个半球单元(见图4,图6)
。
图3 鲜荷叶(正面) 500 图4 鲜荷叶(背面) 100 图5鲜荷叶(正面) 2000
Fig.3FreshLotusleafspecmien(obverse 500) Fig.4FreshLotusleafspecmien(back 100) Fig.5FreshLotusleafspecmien(obverse 2000)
图6 干荷叶(背面) 100 图7 鲜荷叶(背面) 750 图8干荷叶(背面) 750
Fig.6DriedLotusleafspecimen(back 100) Fig.7FreshLotusleafspecimen(back 750) Fig.8DriedLotusleafspecimen(back 750)3 接触角测定
3.1 测定方法
实验采用国产JGW-360a型接触角测定仪,实验数据均为平均实验10次的算术平均值,实验用水采用医用纯净水,水珠直径约2mm。前进角与后退角在试样与水平成15 倾角时测得。
3.2 测定结果
表1 荷花表面不同部位与水的接触角测定结果
Table1 ContactangleswithwateratdifferentpositionofthesamplesofLotusleaves
测定种类与部位
鲜荷叶(正面)
鲜荷叶(背面)
干荷叶(正面)
干荷叶(背面)接触角( )151 3153 3155 3157 3前进角( )165 2167 2168 2169 2后退角( )138 2140 2142 2143 2
图9 水滴在荷叶表面的接触情况
(a)鲜荷叶正面与水滴的接触角(152 48 );(b)鲜荷叶背面与水滴的接触角(154 26 );
(c)干荷叶背面与水滴的接触角(158 52 );(d)干荷叶正面与水滴的接触角(153 36 )
Fig.9ImagesofawaterdropletonvarioussurfacesofLoutsleaf
(a)CA(152 48 )oflivingleafsurfacewithwaterdropletatobverse;(b)CA(154 26 )oflivingleafsurfacewithwaterdropletatback;(c)CA(158 52 )ofdriedleafsurfacewithwaterdropletatback;(d)CA(153 36 )ofdriedleafsurfacewithwaterdropletatobverse
3.3 结构模型
图10给出了荷叶表面和背面结构形态的几何模型示意图。图(a)示出了背部表面的一阶半球型或球冠与其上二阶网状微小凹坑的复合结构;图(b)示出了荷叶正面的一阶圆锥型(乳突状)
及其上微小针状的复合结构。
[8-13]3.4 疏水机理
荷叶的表皮由角质膜和
角化膜构成,而角化膜由角
质和蜡质(也称蜡被)组成,
角质膜和蜡被可减低水分蒸
腾,防止病菌侵害;对某些液
体(如水或油等)进入表皮起
到阻留作用。Brewer(1991)图10 (a)荷叶背部表面半球型复合结构示意图(SCS);
(b)荷叶表面锥型复合结构示意图(CCS)将植物叶表毛状体(乳突状)
Fig.10(a)SchematicdiagramofLotusleafwithsemi spherecompositestructures;与水珠的界面作用分为三种(b)SchematicdiagramofLotusleafwithconecompositestructures类型。一是当毛状体单元分
布密度较低时,对叶表水珠的滞留作用影响并不明显;二是毛状体分布密度低易于诱导水珠集聚成片;三是毛状体单元密度较高时,集聚的单元有利于使水珠抬高,从而增大水珠与叶表的接触角,表现为更好的疏水性。植物叶表的毛状体的形状(乳突状、星状、板条状等)和尺寸大小(5~100 m)对疏水性的影响并不大,主要是毛状体本身是否含有蜡质,含有蜡质的毛状体叶表可保持有长久的疏水性,而不带有蜡质的毛状体叶表则表现为短时的疏水性(Neinhuis,1997)。许多花叶表面非光滑表面比光滑表面更易于疏水,因为水珠只与花叶表面凸起部位接触面可以避免粘附(Hollowey,1968)。认为具有完全相同表面结构单元的植物叶面(如乳突状、板条状、星状)既可表现出疏水性能,也可以表现出亲水性能,只是随表面形貌结构单元分布密度不同(Simom,2001)。Barthlott(1997)分析了荷叶自清洁功能(Self cleaning)的机理在于荷叶非光滑表面与尘埃颗粒间的粘附力小于同样情况下的光滑表面,因此,当水珠流过荷叶表面时,具有粗糙形貌的复合表面比光滑表面更易于带走与水珠,从而达到自清洁目的。当然接触角大并不意味自清洁功能强,相反有些植物叶表的接触角并不是很大,但同样可具有很强的自清洁功能。一般认为,材料表面疏水的条件应包括四个方面:一是一定的接触角;二是表面结构单元的形状和分布密度;三是表面单元尺度的量级;四是表面结构单元结构的刚度(Adam,Crisp,1963)。干叶与鲜叶背部电镜照片显示,干叶背部二阶网格状凹坑单元大小由于水分蒸发而略有缩小,单位密度有所增大(见图7,图8)。荷叶表面的非光滑单元尺度在30-300 m之间,而其上面的二元复合微小单元的尺度一般在几微米到十几微米之间。单独在大尺度表面上具有较大的接触角,而在两者的复合表面上可能具有更好的疏水作
2006年3月
[14]吉林工程技术师范学院学报第22卷第3期用。这可能有两方面的原因:一是在很小的尺度范围之下(比如1 m),范德华力(VanderWaals)会促使液滴与固体表面接触,构成Wenzel模式,从而有利于气泡(Airpocket)的形成,在疏水基表面上更易于形成超级疏水效果。二是两种尺度单元的复合结果会更有利于摆脱两种尺度的液滴,即雨滴和露水滴。
4 结论
(1)荷叶表面在干鲜状态下,与水的接触角存在一定差异,干叶的接触角由于表面水分饱满,表面蜡质含量相对较高,可能是造成干叶表面与水的接触角大于鲜叶的接触角的一个原因。
(2)对同一荷叶样本,无论是鲜叶还是干叶,背面接触角略大于正面接触角。背部表面形貌特征为一阶半球形单元和其上二阶网格状凹坑单元的半球型复合结构。正面形貌特征为一阶单元和其上二阶微刺单元的锥型复合结构。
(3)荷叶正反表面的二元复合结构都表现出超疏水特性(接触角大于150 ),正面与水的接触角通常比其背面与水的接触角略小一些。
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[责任编辑 刘福满]