荷叶表面纳米结构及浸润性的关系.pdf

V01．31 高等学校化学学报 No．8 OFCHINESE 2010年8月 CHEMICALJOURNAL UNIVERSITIES 1596。1599 荷叶表面纳米结构与浸润性的关系 王景明1，王轲1，郑咏梅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，分子科学国家实验室，北京100190) 摘要通过烘烤、化学萃取及物理剥除等方法改变荷叶表面的纳米结构和化学组成，在环境扫描电镜 (ESEM)和全反射红外光谱(ATR)对样品的微观形貌和化学组成进行表征的基础上，为消除其它外界因素影 响样品的真实微观形貌，进一步采用原子力显微镜(AFM)进行了表征．通过测量不同处理方法所得样品的 表观接触角表征了样品的浸润性质．结果表明，荷叶表面的蜡质是产生表面疏水性的根本原因，其微米级结 构放大了其疏水性，而纳米结构是导致其表面高接触角、低滚动角，即“荷叶效应”的关键原因． 关键词荷叶效应；表面浸润性；纳米结构；原子力显微镜 中图分类号0647 文献标识码A 文章编号0251-0790(2010)08．1596-04 近年来，荷叶的自清洁效应备受关注，科学家们不仅仿造荷叶表面制备了多种功能材料[1叫，而 且通过研究荷叶表面结构以及化学成分与浸润性的关系，揭示了荷叶表面自清洁效应的本质．Her- 等¨u进一步研究发现，荷叶的微米级乳突上还存在纳米结构，单纯的微米结构只能引起接触角的增 大，而微纳复合结构的表面却能同时实现高接触角和低滚动角，即自清洁效应．Cheng等¨21通过对荷 叶表面进行退火处理，进一步验证了微纳复合结构在荷叶自清洁效应中的重要作用．然而，现有的报 道主要是利用扫描电镜或环境扫描电镜作为荷叶微观形貌的表征手段，由于扫描电镜的预处理和观察 过程中需要高真空环境，会导致生物样品脱水，从而使表面微米乳突和纳米结构的形貌均发生改变； 环境扫描电镜虽然无需预处理且可以在低真空环境下使用，但是其分辨率有限，样品表面的一些细微 结构可能无法观测，此外电子束长时间对焦对生物样品纳米结构的形貌也会有很大影响．因此我们在 环境扫描电镜表征样品微观形貌的基础上，结合原子力显微镜对样品的纳米结构进行再次表征，以确 定自然条件下荷叶表面真实的微观形貌对其浸润性的影响．原子力显微镜(AFM)不仅具有很高的分辨 率，无需对样品进行任何预处理，可以在常压甚至液体条件下使用，而且能够直接提供样品的三维图 像，适合研究生物样品．因此，本文采用原子力显微镜作为样品纳米结构的主要表征手段，通过对荷 叶表面进行高温烘烤¨引、有机萃取¨列和物理剥除【14 o等处理，改变其表面纳米结构和化学组成，结合 处理后试样和新鲜荷叶的红外光谱和接触角测试，研究了表面纳米结构和化学组成对浸润性的影响． 1实验部分 1．1试剂与仪器 氯仿，北京化工厂产品；万达牌WD3620环氧结构胶，上海康达化工有限公司．FEI200型 Quanta 环境扫描电镜(ESEM)，荷兰FEI公司；Nanoman EQUZNOX sics公司． 收稿日期：2010-04—12． 基金项目：国家自然科学基金(批准号和中央高校摹本科研业务费专项资金(批准号：wF．10-01．B16)资助． 联系人简介：王景明，女，博士，讲师，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 万方数据 No．8 王景明等：荷叶表面纳米结构与浸润性的关系 1597 1．2实验过程 实验所选用的荷叶叶片生长良好无病变．样品取自据叶缘30～50mm处且避免大叶脉．分别采用 3种方法对荷叶进行处理：(1)高温烘烤法，将一组样品(样品I)放人烧杯中，用塑料膜封口，同时在 膜上戳开几个小孔，在150℃