人造玫瑰花花瓣的微结构分布与水滴黏附性质的关系.doc

高等学校化学学报 No．8 V01．32 2011年8月 1807一1811 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSmES 人造玫瑰花花瓣的微结构分布与 水滴黏附性质的关系 王景明1，王春1，王明超1，江 雷1’2 (1．北京航空航天大学化学与环境学院，北京100191； 2．中国科学院化学研究所北京分子科学国家实验室，北京100190) 摘要采用模板印刷法制得了具有玫瑰花花瓣结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，通过对该薄膜逐级拉伸 改变了微观结构的分布；采用环境扫描电镜(ESEM)观察了不同拉伸程度下薄膜表面微观结构的变化，采用 高敏感性微电力学天平测试了样品表面微观结构变化过程中水滴的黏附力，分析了微观结构分布与水滴黏 附性质的关系；采用接触角测量仪表征了不同拉伸程度下薄膜的浸润性．实验结果表明，随着PDMS薄膜被 逐次拉伸，单位面积内玫瑰花花瓣乳突的数目减少，纳米褶皱面积不断增加，而纳米级褶皱结构尺寸随着拉 伸基本上不发生变化，直到样品破坏；与微观结构变化相对应的，该表面对水滴的黏附力先增大后减小，直 到该表面彻底破坏．由此可见，微米结构及纳米结构的分布是影响玫瑰花花瓣对水滴黏附的主要因素． 关键词人造玫瑰花花瓣；表面黏附力；拉伸；微米结构；纳米结构 中图分类号0647 文献标识码A 文章编号0251-0790(2011)08— 1807-05 特殊浸润性表面尤其是超疏水表面(接触角大于1500)，由于其重要的理论研究及实际应用价值 而备受关注¨2 J．在该领域的研究中，受荷叶启发通过构筑具有特殊微观几何形状的粗糙结构并调节 表面的化学组成制备超疏水表面已成为研究的重点旧一]．科学家通过调控微观粗糙结构的尺寸、形貌 和分布，已实现了水滴在超疏水表面状态的调控：Wenzel状态”o、Cassie状态o、Wenzel与Cassie的 过渡态一’81以及“荷叶”态一。和“壁虎”态一一1‘．其中“壁虎”态，是研究者模仿壁虎脚底微观结构制备得 到的，水滴在“壁虎”态的超疏水表面既具有很高的静态接触角又具有很强的黏附作用．水滴之所以在 该表面呈现出超疏水高黏附的状态，是由于这类表面特殊的管状结构不仅能够将空气密封在管体内 部，而且能够在其表面形成与大气联通的空气垫．此外，研究者发现，除了上述具有管状结构的表面 外，具有新鲜玫瑰花花瓣规整排列的乳突结构的表面对水滴也具有很好的黏附性能，即使花瓣翻转 1800，水滴也不会下落‘12．13]．为了研究规整排列的乳突结构对“水滴黏附效应”的贡献，Bharat等¨4 o利 用原子力显微镜比较了水滴在2种不同种类的玫瑰花花瓣(分别为水滴高黏附性表面和低黏附性表 面)以及具有蜡质结晶的规整柱状结构表面的黏附特性，发现微米结构越细越高，间距越大，纳米结构 的密度越小，水滴的黏附作用越强．但是原子力显微镜所测试的黏附力实际上是探针与花瓣表面的物 理吸附作用，并不能直接反映水滴与花瓣表面之间的黏附力．江雷等¨纠利用高敏感性微电力学天平直 接测量了微米结构和纳米结构对花瓣表面的黏附力的作用，通过比较新鲜、枯萎的玫瑰花花瓣正、反 两面对水滴黏附力的大小，发现微米结构主要影响玫瑰花花瓣的超疏水性，而纳米结构则是导致玫瑰 花花瓣具有高黏附力的关键原因．． 事实上，微观结构的分布对玫瑰花花瓣的黏附效应也有重要的作用．因此，为了直接研究玫瑰花 花瓣表面微观结构分布对水滴黏附力的影响，我们利用模板印刷法[12,13]直接制备得到“人造玫瑰花花 瓣”，即具有新鲜玫瑰花花瓣的微观结构且对水滴具有高黏附作用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜， 收稿日期：2010— 12-30． 基金项目：国家自然科学基金(批准号和中央高校基本业务科研费专项资金(批准号：YWF-10-01· B16)资助． 联系人简介：王景明，女，博士，讲师，硕士生导师，主要从事仿生智能界面材料的界面性质研究．E-mail：wangjm@buaa．edu．cn 江雷．男，博士，教授，博士生导师，中国科学院院士，主要从事功能界面材料研究．E-marl：ji肋gIei@iotas．卵．佃 万方数据  1808 高等学校化学学报 V01．32 通过控制薄膜的交联度和厚度使薄膜具有很好的弹性；通过对薄膜进行不同程度逐次、均匀的拉伸， 改变其微观结构的分布，进而利用高敏感性微电力学天平研究微观结构分布对水滴在“人造玫瑰花花 瓣”表面黏附力的影响． 1 实验部分 1．1试剂与仪器 新鲜的红玫瑰花；聚乙烯醇(PVA)；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；超纯水． Quanta 250型环境扫描电子显微镜(ESEM，荷兰FEI公司)；OCA20型接触角仪(CA)和DCATll 型高敏感性微电力学天平(德国Data physic