制备荷叶仿生材料
2020-04-13丛润琳
丛润琳
每次看到“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的荷花,我就会产生疑问:荷花为什么会如此纯洁呢?通过查阅文献我才明白,荷花的纯洁来自荷叶表面的薄膜,这种薄膜叫做超疏水材料。
超疏水材料通常是指与水接触角大于150°、滚动角小于10°的材料,在自然界中,超疏水材料的显著表现就是“荷叶效应”。荷叶具有超疏水效果是因为其表面有许多微小突起,平均直径仅为5~9μm,每个突起由纳米结构分支组成,平均直径约为124nm。这些细微、粗糙的纳米结構让自然界出现了多种多样的疏水现象。
一、研究目的
超疏水材料因其优异的疏水性和自清洁性被广泛应用,以荷叶效应为例,在其疏水材料表面,圆圆的水滴会直接滑落,不留痕迹,因此可用它来制作不会打湿的雨伞、一尘不染的衣物、永远干净的建筑物墙面等。
二、实验过程
1.实验材料
蜡烛一支,荷叶一片,打火机一个,大螺母一个,滴管一根, 水杯一个,照相机一台。
2.实验步骤
将大螺母放在荷叶上,用打火机点燃蜡烛,将蜡加热熔化后滴在荷叶上的螺母中,等蜡在螺母中冷却凝固后,将其剥离荷叶,使与荷叶接触的蜡面朝上,用滴管吸水若干,滴在蜡面上,拍照并测量接触角(图3)。
三、实验结果
根据杨氏方程(描述固体、液体、气体三种界面张力间相关函数的方程),在理想固体表面上的接触角和固、液、气三相接触界面张力的关系为cosθ=(γSV-γSL)/γLV,其中γSV表示固-气之间的界面张力,γLV表示液-气之间的界面张力,γSL表示固-液之间的界面张力。θ为当气、液、固三相达到平衡时,水滴与液-气界面和固-液界面之间的夹角,通过接触角θ可判断材料的亲/疏水性。
当θ>90°时,材料表现为疏水性,当θ<90°时,材料表现为亲水性。θ介于150°~180°、滚动角小于10°的固体表面成为超疏水表面,含有超疏水表面的材料具有超疏水性。经过计算,我制备的这种荷叶仿生材料与水的接触角为150°,具有优良的超疏水性。
四、结论
本实验采用蜡烛加热凝固、螺母模具成型、液滴反向复制的简易可行的实验操作办法,复制了荷叶表面的微结构,制备了仿荷叶蜡面超疏水材料。该方法的原料易得,成本低,制备的材料具有良好的超疏水性,且制备效率高,重复性好。