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細胞化學基礎(chǔ)--超疏水性理論
來源:zhaoqisun 瀏覽 766 次 發(fā)布時間:2023-01-17
超疏水性物質(zhì),如荷葉,具有極難被水沾濕的表面,其水在其表面的接觸角超過150°,滑動角小于20°。
理論
氣體環(huán)繞的固體表面的液滴。接觸角θ,是由液體在三相(液體、固體、氣體)交點處的夾角。
1805年,托馬斯·楊通過分析作用在由氣體環(huán)繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角θ。
氣體環(huán)繞的固體表面的液滴,形成接觸角θ。如果液體與固體表面微結(jié)構(gòu)的凹凸面直接接觸,則此液滴處于Wenzel狀態(tài);而如果液體只是與微結(jié)構(gòu)的凸面接觸,則此液滴處于Cassie-Baxter狀態(tài)。
其中:固體和氣體之間的表面張力=固體和液體之間的表面張力=液體和氣體之間的表面張力,θ可以用接觸角測量計來測量。
Wenzel確定了當液體直接接觸微結(jié)構(gòu)化的表面時,θ角會轉(zhuǎn)變?yōu)棣萕*
cosθW*=rcosθ其中,r為實際面積與投影面積的比率。Wenzel的方程顯示了微結(jié)構(gòu)化一個表面將會放大表面張力。疏水性表面(具有大于90°的接觸角)在微結(jié)構(gòu)化之后會變得更加疏水,其新的接觸角將比原來增大。然而,一個親水性表面(具有小于90°的接觸角)在微結(jié)構(gòu)化之后卻會變得更加親水,其新的接觸角將比原來減小。
Cassie和Baxter發(fā)現(xiàn)如果液體懸浮在微結(jié)構(gòu)表面,θ角將會變?yōu)棣菳*
cosθB*=φ(cosθ+1)–1其中,φ為固體與液體接觸面積的比例。在Cassie-Baxter狀態(tài)下的液體比Wenzel狀態(tài)下更具有運動性。
通過用以上兩個方程計算出的新接觸角,我們可以預測Wenzel狀態(tài)或Cassie-Baxter狀態(tài)是否應該存在。由于有自由能最小化的限制,預測出具有更小的新接觸角的狀態(tài)就會更可能存在。從數(shù)學上來說,要使Cassie-Baxter狀態(tài)存在,以下的不等式必須成立。
cosθ<(φ-1)/(r-φ))提出的一個判斷Cassie-Baxter狀態(tài)是否存在的替代標準是:1)接觸線力克服液滴未被支撐部分的重力;2)微結(jié)構(gòu)足夠高從而阻止液滴接觸微結(jié)構(gòu)的基底(即凹面)。
接觸角是靜態(tài)測量疏水性的方法,接觸角滯后和滑動角則對疏水性的動態(tài)測量法。接觸角滯后是一種鑒定表面異質(zhì)性的現(xiàn)象。當移液器將液體注到固體表面時,液體就會形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加,液滴的體積會隨之增加,接觸角也會變大,但三相邊界會保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進接觸角?;赝私佑|角可以通過將液體從液滴中吸出來測量。隨著液體被吸出,液滴的體積減小,接觸角也減小,但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯后,它被用來鑒定表面的異質(zhì)性、粗糙性和運動性。非同質(zhì)的表面會有能夠阻礙接觸線的區(qū)域?;瑒咏鞘橇硪环N動態(tài)測量疏水性的方法:在固體表面放置一個液點,傾斜表面知道液滴開始滑動,此時的傾斜角即為滑動角。處于Cassie-Baxter狀態(tài)的液滴通常會表現(xiàn)出比Wenzel狀態(tài)更小的滑動角和接觸角滯后。
研究和應用
納米纖維表面的水珠
許多在自然界中找到的超疏水性物質(zhì)都遵循Cassie定律,而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質(zhì)。蓮花效應便是基于此一原理而形成的。仿生學上,超疏水性物質(zhì)的例子有利用納米科技中的nanopin膠片(nanopin film)。