仿生玫瑰花花瓣的表面微观形貌

2021-10-15王桐桐刘莹刘逸锴

南昌大学学报（工科版） 2021年3期

王桐桐，刘莹，刘逸锴

(南昌大学机电工程学院，江西南昌 330031)

自然界中很多生物都具有奇特的能力，比如仙人掌能在缺水的沙漠生长[1]，荷叶能够出淤泥而不染[2]，水黾能在水面行走[3]，翼状猪笼草可定向搬运液滴[4-5]，科研工作者发现这些生物具有的奇特能力与其表面结构密切相关。这些生物表面具有的独特结构给科研工作者设计功能性表面提供了很多参考，如苏思伟等[6]通过对鱼吸盘唇圈组织法向纤维结构的仿生，设计了仿生鱼吸盘，与原有吸盘相比，具有法向纤维的仿生吸盘吸附力大幅度提升。文献[7]通过模仿树蛙脚趾垫上皮细胞的表面，制备了一系列表面有纳米凹坑的复合微米柱阵列，与没有纳米凹坑的复合微米柱相比，含有纳米凹坑的复合微米柱阵列在湿态条件下表现出了优异的黏附性能。

润湿性是固体表面的重要性质之一，超疏水表面具有的特殊固体表面浸润性在集水[8]、油水分离[9]、流体操控[10]、可逆黏附[11]、发电[12]等领域都具有很高的应用价值[13]。为了得到具有超疏水性质的表面，科研工作者们采用气相沉积法[14]、自组装法[15]、电化学沉积法[16]、相分离[17]等多种方法[18]，成功制备了仿生超疏水表面。超疏水表面的研究最终面向工业生产，全球制造业现在已经迎来了以数字化、网络化、智能化为发展方向的深刻变革，因此需要探索一种与数字化制造相结合的仿生超疏水表面设计方法。

玫瑰花花瓣是一种典型的超疏水表面。本文选取玫瑰花花瓣作为研究对象，对玫瑰花花瓣表面进行了观察分析，并对提取到的玫瑰花花瓣表面高程数据分别进行了中值滤波等间距缩减后重构、均值滤波等间距缩减处理后重构。对比分析了原始表面、未经过处理的数据重构出的表面、中值滤波等间距缩减后重构表面和均值滤波等间距缩减后重构表面的形貌参数、微观形貌和超疏水性能，旨在探索一种新型仿生表面的设计方法，为仿生表面设计与制造提供一种新的研究思路。

1 玫瑰花表面润湿性与微观形貌观测

选用粉、红、黄和淡黄4种新鲜玫瑰花，4种玫瑰花均购于商店，随机取4种玫瑰花外部完整、新鲜花瓣各1片，选取花瓣中部相同位置裁剪成2 cm×2 cm的正方形，用双面胶固定于载玻片上，制成样品，样品标明颜色。使用蒸馏水将样品冲洗干净，在室温下静置至表面干燥。

采用HARKE接触角测量仪(SPACE)测量玫瑰花花瓣表面静态接触角；采用Keyence 3D激光扫描显微镜(VK-X100)观察玫瑰花花瓣表面二维微观形貌与三维微观形貌，导出玫瑰花花瓣表面高程数据，数据形式为1 024×768的矩阵，定义矩阵上每一点的数值为Z轴数值，形貌仪显示每一点在X轴、Y轴上的取点间距约为133 nm。

2 实验结果分析

2.1 玫瑰花表面的润湿性

固体表面的静态接触角是衡量固体表面润湿性的重要参数，通常将与水滴的静态接触角大小为90°以上的表面定义为疏水面，将与水滴的静态接触角大于150°的表面定义为超疏水面[19]。如图1(a)～(d)所示，粉、红、黄和淡黄玫瑰花瓣的静态接触角分别为147.399°、141.632°、142.872°、140.674°，测量结果显示粉、红、黄和淡黄4种玫瑰花瓣均具有良好的疏水性，且4种玫瑰花花瓣的疏水性能相近，其中粉玫瑰花的疏水性能最好，红玫瑰和黄玫瑰的疏水性能稍弱，淡黄玫瑰的疏水性能最差。

(a) 粉玫瑰 (b) 红玫瑰 (c) 黄玫瑰 (d) 淡黄玫瑰

2.2 玫瑰花表面的微观形貌

图2(a)～(h)分别为粉、红、黄、淡黄4种玫瑰花瓣在Keyence 3D激光扫描显微镜下放大1 000倍的二维微观形貌与三维微观形貌。从图2(a)～(h)可以看出4种玫瑰花花瓣表面具有相似的微观形貌，即不同颜色的玫瑰花花瓣表面具有类似的微观结构。玫瑰花花瓣表面均由若干个长、宽为40～60 μm左右的阵列状多边形凸起结构组成，每一凸起表面遍布褶皱，凸起与褶皱共同组成了玫瑰花花瓣的分级结构。其中凸起结构决定了玫瑰花花瓣的超疏水性质，褶皱则是玫瑰花花瓣具有高黏附的原因，二者共同赋予了玫瑰花花瓣超疏水高黏附的独特性质[20]。激光扫描显微镜测得粉色玫瑰花花瓣的粗糙度为11.494 μm，红色玫瑰花花瓣的粗糙度为8.504 μm，黄玫瑰花花瓣的粗糙度为9.198 μm，淡黄玫瑰花花瓣的粗糙度为8.714 μm，总体较为相近，其中红色玫瑰花花瓣的粗糙度最小，淡黄玫瑰花和粉色玫瑰花花瓣的粗糙度次之，黄玫瑰花花瓣的粗糙度最大。由图2(e)～(h)可知，玫瑰花花瓣表面粗糙度大小主要是由凸起的以及凸起上的褶皱决定的，此外，观察图2(e)～(h)可知，玫瑰花三维形貌图上存在着部分噪声点，这些噪声点对激光形貌仪测得的玫瑰花花瓣粗糙度大小也有着一定影响。

(a) 粉玫瑰，二维 (b) 红玫瑰，二维 (c) 黄玫瑰，二维 (d) 淡黄玫瑰，二维

3 玫瑰花花瓣表面形貌的三维重建

生物表面性能与其表面结构有关，本文选取接触角最小的淡黄玫瑰做重构计算，若淡黄玫瑰重构表面具有良好的疏水性能，则可说明以相同方式重构接触角更高的粉、红、黄3种玫瑰表面，得到的重构表面同样具有良好的疏水性能。使用中值滤波后等间距缩减算法和均值滤波后等间距缩减算法对采集到的数据进行处理。为对比观察中值滤波、均值滤波的滤波效果，设计对照实验，原始数据不经处理，直接重构。

3.1 中值滤波后等间距缩减算法

中值(Md)被定义为一组按顺序排列的数据中居于中间位置的数。一组数据X1,X2,X3,…,Xn的中值计算方法如下。

把这n个数据按大小排列：Xin≥Xi(n-1)≥…≥Xi1，则

(1)

在本文中对表面高程数据矩阵进行中值滤波，定义矩阵上每3×3个数据为一个域，将域中所有数值进行排序，取其中位数作为该域中心点的新数值。淡黄玫瑰花瓣表面原始高程数据经过中值滤波处理后，得到平滑后矩阵Bij，使用Excel对Bij矩阵进行等间距缩减处理，i方向上每3个数据精简一次，3个数据中的中值保存，其余数据清除；j方向上每4个数据精简1次，4个数据中的中值保存，其余数据清除，得到表面高程数据信息的精简矩阵Cij。根据x、y轴上的取点间距计算出精简矩阵Cij每一个点对应的x、y坐标值，得到点的三维坐标。在Geomagic中对点坐标进行处理、重构。

3.2 均值滤波后等间距缩减算法

均值(M)被定义为一组数据的平均值。一组数据X1,X2,X3,…,Xn的中值计算方法如下：

(2)

在本文中对表面高程数据矩阵进行均值滤波，定义矩阵上每3×3个数据为一个域，取域中均值作为该域中心点的新数值。

淡黄玫瑰花瓣表面原始高程数据经过中值滤波处理后，得到平滑后矩阵Dij，后续工作同上。

4 玫瑰花花瓣表面重建结果分析

4.1 淡黄玫瑰花花瓣表面原始微观三维形貌图及重构形貌图的形貌对比分析

图3(a)～(d)分别为淡黄玫瑰花瓣表面原始微观三维形貌图、原始数据重构形貌图、数据中值滤波和精简后重构形貌图、数据均值滤波和精简后重构表面形貌图。从图3可以看出原始数据未经处理直接重构得到的形貌图失真最为严重，图像表面被大量毛刺覆盖，中值滤波和精简后重构形貌图及均值滤波和精简后重构形貌图重构效果总体相近，重构表面对微观表面直径为40～60 μm的凸起和凸起间的沟槽形貌还原程度较高，其中中值滤波和精简后重构形貌图左上角的噪点明显少于均值滤波和精简后重构形貌图。因此，激光显微镜采集到的玫瑰花花瓣表面数据必须经过去噪才能较好地重现玫瑰花花瓣表面微观结构形貌特征，并且中值滤波和均值滤波对玫瑰花表面的去噪能力相近，相比较而言，中值滤波稍强。这可能是因为均值滤波采用线性的方法平均范围内的值，而中值滤波采用非线性的方式，选择适当的点来代替噪点的值，可对凸起边缘形成较好的保护，后续可选择与中值滤波原理相似的其他滤波方法继续进行研究。

(a) 原始形貌图 (b) 原始数据重构图 (c) 中值滤波重构图 (d) 均值滤波重构图

4.2 淡黄玫瑰花花瓣重构表面的参数对比分析

选取算术平均高度面作为参数计算基准面。

(3)

式中：Z0为基准面的高度值；n为点的全部个数；z(xi,yi)为重构粗糙表面轮廓点的Z轴坐标。

求得基准面后，通过Ra、Rq、Rz参数求解公式计算出中值滤波后等间距缩减算法和均值滤波后等间距缩减算法处理后得到的仿生设计表面参数，与淡黄玫瑰花花瓣对应参数进行对比分析。

轮廓平均算术偏差Ra，又叫粗糙度轮廓参数，是粗糙度最重要的参数。Ra是指在一定测量范围内，轮廓上各点至基准面Z0距离绝对值的平均算术偏差，即：

(4)

式中：Zi为重构表面轮廓点的高度。

轮廓均方根偏差Rq，也称均方根值：

(5)

Rz为测量长度内最高峰与最低谷之间的高度差，它表示表面粗糙度的最大起伏量。即：

Rz=Zmax-Zmin

(6)

式中：Zmax为重构表面轮廓点中最高点的高度数值；Zmin为重构表面轮廓点中最低点的高度数值。不同表面的形貌参数如下。

由表1可知，中值滤波处理和均值滤波后重构表面的形貌参数都与原始表面重构表面的形貌参数较为接近，其中中值滤波重构表面的形貌参数与原始表面重构表面的形貌参数更为接近。因此对于玫瑰花花瓣表面噪点，中值滤波与均值滤波去噪能力相近，中值滤波比均值滤波去噪能力稍强，这一结果与形貌观察结论一致。

表1 淡黄玫瑰原始表面和滤波处理后精简重构表面的形貌参数表

4.3 玫瑰花花瓣重构表面的润湿性对比结果分析

Young′s方程是定量研究润湿现象的理论基础，反映了接触角与表面张力之间的关系[21]：

(7)

式中：γsg、γsl、γlg分别为固气、固液、气液间的界面张力；θ为Young’s方程中的接触角。但Young’s方程仅适用于化学成分均一、光滑的理想固体表面，因此Wenzel[22]在Young’s方程的基础上对粗糙表面的浸润现象进行了研究，引入粗糙因子r对Young’s方程进行修正：

(8)

式中：Sa为实际接触面积；S为表观接触面积。由式(8)可知，对于粗糙平面，r>1，考虑粗糙因子r对表面润湿性的影响，得到Wenzel方程：

(9)

式中：θw为Wenzel状态下的接触角。玫瑰花花瓣表面是由微米结构和纳米结构组成的复合结构，其中，微米结构决定了玫瑰花花瓣表面超疏水性质[23]。已有研究表明玫瑰花花瓣表面微米结构与水滴的接触状态为Wenzel[22]状态。因此，本文仅对比分析Wenzel状态下玫瑰花花瓣表面与仿生重构表面的润湿性能。

如图4所示，激光扫描显微镜配套软件测量得出淡黄玫瑰表面面积为56 102.593 μm2，表面积为315 863.817 μm2，表面面积是不考虑微观形貌，简单将淡黄玫瑰花花瓣表面视为光滑表面时的面积，而表面积是考虑了凸起与褶皱引入的其余面积时测量区域的面积，激光扫描显微镜观测结果显示，淡黄玫瑰花花瓣表面并不是完全光滑的，而是遍布着大量的凸起与褶皱，因此表面面积远小于表面积，这里可将计表面面积视为S，表面积视为Sa，计算可得淡黄玫瑰花花瓣表面粗糙因子r约为5.630。由图2得知，淡黄玫瑰花花瓣表面表观接触角为140.674°，采用公式(9)计算可得，淡黄玫瑰花花瓣表面的本征接触角θ约97.897°。

图4 淡黄玫瑰面积图

如图5所示，将点云图封装成表面，软件测得中值滤波等间距缩减后重构表面实际表面积为144 098.412 μm2，中值滤波等间距缩减后重构表面实际表面积为139 912.966 μm2。采用公式(8)计算可得，中值滤波精简后表面的粗糙度因子r为2.586，均值滤波精简后表面的粗糙度因子r为2.494。

(a) 中值滤波

采用公式(9)计算可得，在Wenzel[22]状态下，中值滤波精简后表面的接触角θw为110.812°，均值滤波精简后表面的接触角θw为110.040°。

计算结果显示中值滤波精简处理和均值滤波精简处理后形成的仿生重构表面都具有良好的疏水性，其中中值滤波处理后形成的仿生重构表面与原始表面性能更为相似。但两种表面的疏水性能都与原始表面存在较大差异，这是因为中值滤波和均值滤波在对黄玫瑰花花瓣表面高程数据进行处理时，对所有高度数据都进行了处理，这就导致重构表面大量点的高度发生了细微改变，点的高度变化带来了表面积改变，这些变化累积最终呈现的结果是重构表面表观接触角与原始表面表观接触角的差异。因此在后续研究中，可考虑选取仅对异常点进行处理的数据处理方法进行进一步研究，以减少重构表面的润湿性变化。