想要不沾灰尘的衣服吗?

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想要不沾灰尘的衣服吗?

想要不沾灰尘的衣服吗?

” 不沾灰尘 ” 的衣服,听起来不可思议,但并不是遥不可及的,用黑墨水泼到普通衣服和特制衣服,形成了鲜明的对比,蓝墨汁不沾到纸张上,蛋清与蛋黄不沾到纸张上,可这又是怎么回事呢?下面将揭开奥秘。

图 1 黑墨水泼到普通衣服和特制衣服的对比

图 2 蓝墨汁不沾到纸张上

图 3 蛋黄与蛋清不沾到纸张上

这个奥秘和超疏水有关,超疏水听着很陌生,但其实生活中,处处可见,蝴蝶翅膀,水蜘蛛可以潜入水,荷叶 ” 出淤泥而不染 ” 等,其实,这些都与动植物身体表面的超疏水性有关系。

超疏水现象

荷叶为什么 ” 出淤泥而不染 “?

自古以来,荷花就是一个称赞对象,象征着高洁品质,鲜花是由绿叶衬托,但作为衬托的荷叶也不能忽视,它也有很多独特之处,不亚于荷花。众所周知,水滴落在荷叶上,会形成近似圆球形的白色透明水珠滚来滚去而不浸润在荷叶上,那这个 ” 珠落玉盘 ” 的奥秘又是怎么回事呢?

图 4 水珠滴落到荷叶表面的动态过程

自然界经过上万年的演变,已经进化得几乎完美,所以自然界是我们的老师,可以从中获得很多意想不到的收获。德国科学家 Bathlott 和 Neinhuis 就从植物中得到灵感,研究了数百种植物叶片,并在 1997 年,首次报道了以荷叶为代表的植物表面不沾水和自清洁现象, 认为自清洁性是由表面微结构的乳突和疏水性蜡状结构共同引起的 。

2002 年,江雷院士课题组进行更深一层的研究,发现微米结构与纳米结构复合而成的结构,有效阻止了水滴往下一层结构的浸湿,认为这种微纳复合的多阶结构是引起超疏水表面的根本原因。C.W.Extrand 等人又细致地考虑到荷叶表面微观结构,比如其表面的半球状突起,突起上覆盖着蜡晶体的二级结构,二级结构垂直向外突出,形成无数的锐利边缘,他们从理论上构建了该结构,并模拟荷叶所表现出的接触角和滑动角。

结构决定性质, 超疏水自洁性离不开荷叶表面的微观结构。荷叶看似光滑,但放大观察,可以发现在荷叶微凸表面布满微小的乳突,这种乳突结构用肉眼以及普通显微镜是很难察觉的,每一个微米级乳突上还存在很多直径 200nm 左右的小乳突,构成了非常复杂的多重纳米级和微米级的超微结构,之间存在纳米级空隙, 空气填充其间。水在荷叶上,由于表面张力和乳突间空气的阻力的作用,水的表面总是趋向于尽可能缩小成球状,接触角平均 160 ° ,几乎不浸润。所以水在其表面的接触面积比一般材料减少了 90%多,而且水滴极易滚动,在水滴滚动的同时,就带走了叶子上的尘埃和细菌,从而实现自清洁的功能。

当然,微结构的结构尺寸、几何形貌和粗糙度等都会对疏水性产生影响,所以荷叶疏水性是多因素共同作用的结果。

图 5 荷叶表面具有超疏水性以及自洁的特性

你是否想像蜘蛛侠一样攀岩走壁?

荷叶的微纳复合结构是用来疏水的,粘附力很小,那是不是具备微纳复杂结构的表面吸附性都很小呢?答案显然不是,壁虎,蜘蛛等动物的微米级,纳米级结构,就是个例外,竟然具备很强的吸附能力。

美国电影《蜘蛛侠》,想必大家早有耳闻吧。蜘蛛侠能攀岩走壁,灵活敏捷,并拯救人民和世界,那这位 ” 超级英雄 ” 是如何做到攀岩走壁的呢?

图 6 蜘蛛侠攀爬

蜘蛛,壁虎等动物能在光滑的墙壁上行走自如,甚至能贴在天花板上。这表明,它们的脚底与物体表面之间必定存在很强的特殊黏附力,难道是壁虎脚趾能分泌胶水?

通过电子显微镜,科学家们发现壁虎的脚趾上竟然生长着数以百万计的细小绒毛——刚毛,每根刚毛约有 100 μ m 长,顶端都有上千个更细小的分叉。但这种力量究竟从何而来?这道未解之谜,也和复杂的微纳米结构有关,使其具备了极强的吸附和脱附能力。而且与一般粘附材料产生的吸附力不同的是 , 这种吸附力可以在需要时产生或消失,很是灵活。

图 7 微米级阵刚毛微观结构产生高黏附力

超疏水机理

什么是超疏水?

看到这么多例子后,大家在心中是否有个疑问,什么是超疏水,如何解释这种现象呢?在了解超疏水之前,先需要知道接触角。那什么是接触角?顾名思义,就是两个接触面的夹角。气、液、固三相交点处气 – 液界面切线与固 – 液交界线之间的夹角称为接触角。接触角是表征疏水性强弱的重要技术指标,接触角越大,疏水性越好。根据图 8 中所示的三种类型,一般将表面的润湿行为分类为:亲水表面的接触角在 0 °

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