阅读说明：本技术 一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法 (Method for designing isotropic super-hydrophobic surface simulating nepenthes sliding region ) 是由 王立新 闫征 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法,首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌观测并获取微形貌结构特征参数；根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面仿生模型,基于Cassie--Baxter模型计算出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的微形貌结构特征参数与超疏水功能之间的数值关系；根据推导出的数值关系,通过调节微形貌结构特征参数,来调控仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。本设计方法能够实现各向同性超疏水表面的可控设计,设计的超疏水表面具有超疏水功效可调控、超疏水功效各向同性等特点。(The invention discloses a method for designing an isotropic super-hydrophobic surface simulating a nepenthes sliding area, which comprises the steps of firstly, carrying out micro-topography observation on the nepenthes sliding area by utilizing a scanning electron microscope and a three-dimensional white light topography interferometer and obtaining micro-topography structural characteristic parameters; establishing an isotropic super-hydrophobic surface bionic model of the imitation nepenthes sliding region according to the extracted micro-morphological structure characteristic parameters, and calculating a numerical relation between the micro-morphological structure characteristic parameters and the super-hydrophobic function of the isotropic super-hydrophobic surface of the imitation nepenthes sliding region based on a Cassie-Baxter model; according to the deduced numerical relation, the super-hydrophobic efficacy of the isotropic super-hydrophobic surface of the nepenthes-imitating sliding region is regulated and controlled by adjusting the characteristic parameters of the micro-morphology structure. The design method can realize the controllable design of the isotropic superhydrophobic surface, and the designed superhydrophobic surface has the characteristics of controllable superhydrophobic effect, isotropic superhydrophobic effect and the like.)

一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法

技术领域

本发明属于超疏水表面设计领域, 尤其涉及一种根据扫描电子显微镜和三维形貌干涉仪对具有超疏水特性的猪笼草滑移区微形貌结构进行观测提取得到特征参数进行的超疏水表面设计，形成超疏水功效具有各向同性、超疏水功效可调控的超疏水表面设计方法。

背景技术

超疏水表面指的是静态接触角大于150°且滚动角小于10°的微纳结构表面。生物在长期自然进化过程中，形成了构形独特、超疏水性能优异的材料表面，如猪笼草滑移区、水黾脚掌、荷叶表面等。这些动植物体表微形貌结构特征能够截留空气层，以此有效减小液滴与材料表面的接触面积产生的特殊浸润特性，受此启发，学者相继开展研究并仿生研制出功能优异的超疏水材料。这些超疏水材料在日常生活领域、工程领域发挥极其重要的作用，如自清洁涂层、防雾玻璃、金属防腐蚀、船舰减阻等。

液体在固体表面产生的接触角是衡量润湿特性的重要标准，接触角是固、液、气3界面之间表面张力平衡的结果，张力平衡时体系总能量趋于最少，固体表面上的液滴处于稳定状态。Wenzel模型认为当液滴与固体表面接触时能够将粗糙表面的微形貌结构完全浸没，呈现完全润湿状态；并提出了Wenzel方程，其中为液滴接触角，为粗糙度因子，则为液滴在光滑表面的本质接触角。随后Cassie-Baxter模型被提出，认为接触面是由液滴、固体表面微形貌结构、微形貌结构内部存留的空气等3部分组成，据此得出，其中是接触角，是本征接触角，是粗糙度系数。材料表面之所以具有超疏水性能，主要是因为表面微形貌结构形成了较大比例的气-液界面来维持Cassie-Baxter状态，使得材料表面呈现较大的接触角。设计超疏水表面的关键是如何设计材料表面微形貌结构以确保液滴能稳定存在于Cassie-Baxter状态。猪笼草滑移区覆盖着由微米级月骨体和纳米级蜡质晶体组成的复合微形貌结构，能够呈现低黏附超疏水润湿特性，为超疏水表面研制提供了仿生原型。

中国发明专利CN105550476A公开了一种微柱结构稳定超疏水表面的可控设计方法，从最小能量原理的角度出发提出液滴形成稳定 Cassie-Baxter状态的临界高度准则，可作为设计稳定超疏水微形貌结构的一种理论判据；通过计算临界高度对能否形成稳定Cassie-Baxter状态进行理论预测，从而实现超疏水表面的可控设计；其提出的周期排列微柱结构超疏水表面设计方法仅对于微柱高度、微柱间距、微柱底面边长的影响机制进行了说明，但局限于传统的柱状凸起结构模型，构型比较复杂，并且超疏水性能不具备各向同性。中国发明专利CN101819125A公开了一种光栅结构稳定超疏水表面设计方法，推导出光栅结构的特征参数与超疏水性能之间的数值关系；可通过调控结构特征参数来实现超疏水性能的提升；但提出的超疏水表面设计方法依然存在超疏水功效并不具备各向同性等问题。

综上所述，现有的超疏水表面设计方法虽能通过调整结构特征参数实现所设计的超疏水表面功效的调控，但超疏水功效不具有各向同性。因此，提出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，并且基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面功能表现机制，该设计方法具有超疏水功效可调控、超疏水功效各向同性等特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面的超疏水功能表现机制，能够实现各向同性超疏水表面的可控设计，由此设计方法设计的超疏水表面具有超疏水功效可调控、超疏水功效各向同性等特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌观测并获取微形貌结构特征参数；

步骤2，根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面仿生模型，基于Cassie-Baxter模型计算出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的微形貌结构特征参数与超疏水功能之间的数值关系；

步骤3，根据推导出的数值关系，通过调节微形貌结构特征参数，来调控仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。

在上述方案的基础上，所述各向同性超疏水表面仿生模型为月骨体构型成的球冠结构，球冠结构的表面垂直分布有圆柱体阵列，圆柱体阵列为蜡质晶体构型而成。其目的是使设计的超疏水表面呈现形貌结构方面的各向同性，以此促使液滴沿任何方向的滚动角都相同，最终导致超疏水功效的各向同性。

在上述方案的基础上，所述的数值关系为

式中：和分别表示接触角理论值和本征接触角，水滴在光滑蜡质晶体表面的本征接触角一般为100°～110°；表示液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值；R为球冠投影圆半径，H为球冠顶端到基部的高度，和分别表示单个圆柱体的半径和高；表示圆柱体阵列投影面积与基部面积的比值。

在上述方案的基础上，将所述微形貌结构的特征参数作为预设值带入权利要求3中的公式，计算液滴在仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的接触角，通过接触角大小即可判定各向同性超疏水表面是否具有较好的超疏水功能。

在上述方案的基础上，通过调控所述特征参数中圆柱体的高度与半径的比值，即可提升仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。

在上述方案的基础上，所述圆柱体阵列的蜡质晶体层交错排列成网状，且具有微纳尺度的结构特征参数，所产生的孔洞能够蓄留空气，形成液-气-固接触界面。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过对猪笼草滑移区微形貌结构参数的表征，基于Cassie-Baxter模型给出结构特征与超疏水功效之间的数值关系，从而得到一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，能够实现超疏水功效可调控与超疏水功效各向同性。在该方法中，通过改变仿生模型中球冠与圆柱体阵列的结构参数，即提高圆柱体阵列的高度与半径的比值，可调控所设计的超疏水表面的超疏水功效，即液滴接触角的大小，从而实现各向同性超疏水表面的可控设计。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2 本发明的球冠结构示意图；

图3本发明的圆柱体阵列结构示意图；

图4 本发明的设计流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但绝非用于限制本发明的范围，下面结合附图，对本发明的工作过程作详细说明。

本发明一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，并基于Cassie-Baxter模型给出所设计的超疏水表面的超疏水功能调控机制，能够实现各向同性超疏水表面的可控设计，需要特别指出的是，各项同性是指液滴在超疏水表面沿着任何方向滚动时，所呈现的滚动角均相同。

为达到本发明的目的，首先利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区进行微形貌观测并获取微形貌结构特征参数；根据所提取的微形貌结构特征参数建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面仿生模型，将月骨体构型成球冠结构，并将蜡质晶体构型成垂直分布于球冠表面的圆柱体阵列，其目的是使设计的超疏水表面呈现形貌结构方面的各向同性，以此促使液滴沿任何方向的滚动角都相同，最终导致超疏水功效的各向同性。基于Cassie-Baxter模型计算出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的微形貌结构特征参数与超疏水功能（接触角）之间的数值关系；根据推导出的数值关系，通过调节微形貌结构特征参数，来调控一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效，即液滴接触角的大小。

第1步，猪笼草滑移区微形貌结构参数表征。利用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪对猪笼草滑移区表面微形貌结构观测，并分析提取微形貌结构特征参数。具体包括：猪笼草滑移区月骨体的高度、长度、宽度、间距、密度，以及蜡质晶体层的高度、面积比等。

仿生原型选用红瓶猪笼草（Nepenthes alata），测试表征仪器采用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪。对红瓶猪笼草叶笼，在滑移区部位剪取长宽均为10 毫米的样品，采用临界点干燥法干燥，然后用双面胶粘贴在实验台上；采用扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪观测滑移区微形貌结构。对扫描电子显微镜与三维白光形貌干涉仪保存的滑移区微形貌结构图像，进行微形貌结构特征信息提取，确定其三维结构特征参数。猪笼草滑移区表面覆盖着两端向下弯曲的月骨体和致密排列的蜡质晶体层，蜡质晶体层由形状不规则但可分辨轮廓的片状蜡质晶体组成，片状蜡质晶体近乎垂直排列且紧密交互成网状结构；月骨体外侧高度变化较为缓慢形成斜坡结构，内侧则近乎垂直变化形成悬崖结构。猪笼草滑移区微形貌结构特征参数如下：月骨体的高度为20.41微米、长度为44.38微米、宽度为11.55微米、间距为69.16微米、密度为176个/平方毫米；蜡质晶体层的高度为0.24微米、面积比（蜡质晶体层由蜡质晶体、孔洞构成，面积比为蜡质晶体面积与蜡质晶体层总面积的比值）为55.89%。

第2步，建立持续稳定的Cassie-Baxter的理论判据。根据所提取的微形貌结构特征参数，建立一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的模型。如图1、图2、图3所示，为使构建的一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面能够呈现显著的各项同性超疏水特性，将圆弧形的月骨体构型成球冠形貌，将蜡质晶体构型成圆柱体阵列，并且圆柱体阵列垂直分布于球冠的弧形表面，使其呈现微形貌结构方面的各向同性。在此基础上，推导出一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的微形貌结构特征参数与超疏水特性（接触角）之间的数值关系。猪笼草滑移区的蜡质晶体层交错排列成网状且具有微纳尺度的结构特征，所产生的孔洞能够蓄留空气，能够形成液-气-固接触界面，因此应该基于Cassie-Baxter模型推导，得到的方程如下所示：

（1）

式中：和分别表示接触角理论值和本征接触角；表示液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值；表示粗糙度系数，即表面的非光滑程度。在设计的超疏水模型中，影响表面非光滑程度的是球冠和圆柱体，其产生的表面积可由式（2）计算取得，

（2）

式中：表示实际表面积，R为球冠（由月骨体构型而成）投影圆半径，H为球冠顶端到基部（滑移区基体）的高度，和分别表示单个圆柱体（由蜡质晶体构型而成）的半径和高；表示圆柱体阵列投影面积与基部面积的比值；据此可获取粗糙度系数，其表达式如下：

（3）

因此，获取用以描述球冠和圆柱体对水滴在一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面产生的接触角方程，如下所示：

（4）

式中：和分别表示接触角理论值和本征接触角，水滴在光滑蜡质晶体表面的本征接触角一般为100°～110°，本征接触角越大计算获取的理论接触角就越大，在此本征接触角取104°；测试材料表面超疏水润湿特性的液滴一般为2～4微升，这里取3微升，其半径为0.89毫米；表示液滴实际浸润固体面积与表观几何接触面积的比值，这里按照完全浸润进行计算，即液滴充满蜡质晶体构型而成的圆柱体阵列；表示粗糙度系数，即表面的非光滑程度；在本发明的一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面中，影响表面非光滑程度的是球冠和圆柱体阵列。R为球冠（月骨体构型而成）的投影圆半径，为22.19微米；H为球冠顶端到基部（滑移区基体）的高度，为9.03微米；表示圆柱体（蜡质晶体构型而成）的半径，为0.10微米；表示圆柱体（蜡质晶体构型而成）的高，为0.24 微米；表示圆柱体阵列投影面积与基部面积的比值，为55.89%。

第3步，通过改变圆柱体阵列的结构参数调控超疏水功效（接触角）。计算获取液滴在一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的接触角。根据推导的公式，可计算出接触角的变化范围；仿猪笼草滑移区超疏水表面接触角小于150°时，调控特征参数可使接触角增大至150°，使一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面呈现较好的超疏水功能。通过计算可知，接触角随着圆柱体的高度与半径的比值（）的增加而增大，时接触角为132.7°；时接触角为141.3°；时接触角为150.8°。因此，应尽量提高圆柱体阵列的高度与半径的比值，以提升一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面的超疏水功效。

如图4所示，一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计过程，通过对猪笼草滑移区微形貌结构参数的表征，基于Cassie-Baxter模型给出结构特征与超疏水功效之间的数值关系，从而得到一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，能实现超疏水功效可调控与超疏水功效各向同性。

本发明提供了一种仿猪笼草滑移区的各向同性超疏水表面设计方法，实现超疏水功效的可控设计，即通过改变由蜡质晶体构型而成圆柱体的高度与半径的比值，可调控所设计的超疏水表面的超疏水功效，即液滴接触角的大小；此外还具有超疏水功效各向同性等优点。

最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，但绝非用于限制本发明的范围。尽管参照较佳实施例对本发明进行了较为详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围之内。