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紧凑的纳米级纹理减少了反弹液滴的接触时间
发布时间: 2020-07-31 08:00:01
内容来源: 纳米防水

许多天然表面由于具有疏水功能,因此可以迅速滴落水滴。1945年,科学家Cassie和Baxter将天然表面的拒水功能与其表面纹理联系起来。使用低的固相率纹理(表示为Φ 小号因此)是一个关键原理设计斥水表面。

 

 

许多天然表面由于具有疏水功能,因此可以迅速滴落水滴。1945年,科学家Cassie和Baxter将天然表面的拒水功能与其表面纹理联系起来。使用低的固相率纹理(表示为Φ 小号因此)是一个关键原理设计斥水表面。在这项工作中,Lin Wang和美国宾夕法尼亚州立大学材料科学,生物医学工程和机械工程领域的科学家团队通过减少高固形分率表面(即Φs〜0.25至0.65)减少了弹跳液滴的接触时间。

表面纹理尺寸达到纳米级。他们表明,与大于300 nm的纹理大小相比,具有小于100纳米的纹理大小的高固体分数表面如何可以使反弹的液滴的接触时间减少约2.6毫秒(ms)。相对于现有的表面润湿性理论,在固体表面上观察到的与纹理和尺寸有关的接触时间减少是研究的第一结果。Wang等。

归因于纳米级表面上液滴接触的减少是主要的三相接触线张力。

根据压力稳定性实验,研究小组进一步显示了昆虫如何从表面生物固体中汲取灵感,这些昆虫可以承受雨滴的影响。结果现已发表在《科学进展》上。

纳米级表面在生物有机体中具有多种作用,对昆虫的生存至关重要,例如,蛾眼的抗反射特性,蚊子的抗雾特性,蝉的自清洁技术和蜻蜓的抗生物污垢。雨滴在飞虫上的迅速脱落对于它们的生存也至关重要。例如,雨滴对蚊子的影响持续时间约为0.5到10毫秒;主动和被动液滴脱落机制相结合的时间框架。植物和蝴蝶的翅膀还可保持微尺度图案,将液滴的冲击分解成较小的碎片,以减少液滴的接触时间。

然而,材料科学家仍必须了解疏水昆虫表面的高固形分率和纳米级结构如何导致雨滴在撞击时迅速脱离。为了探索纹理尺寸的影响和液固相互作用,Wang等。设计了一系列具有生物启发性,类似昆虫的纹理表面,并在其上覆盖了一层硅烷单层以诱导表面疏水性(憎水性),并进行了一系列实验。

在实验过程中,研究小组通过测试液滴保持了Cassie-Baxter状态(异质表面润湿),并比较了水滴在纹理表面上的弹跳时间。具有小于300 nm的纹理大小的表面显示减少的反弹液滴的接触时间。与现有的表面湿润理论相比,在固体表面上液滴接触的取决于纹理尺寸的减少是首次研究。

从理论上讲,接触时间可以相对于水的密度和表面张力来预测。当液滴撞击带纹理的表面时,它散布到最大直径并像“液体弹簧”一样从表面缩回。在低固含量的带纹理表面上,液滴的液-气界面张力决定了液滴的弹簧常数。液体弹簧,同时从液体-固体相互作用的任何贡献可以忽略不计。

然而,科学家无法忽视高固相率纹理化表面,其中Φ液体-固体相互作用小号等于0.44,这是由于在液滴下方形成三相接触线而产生的附加能量会影响其弹跳能量。为此,王等。考虑了三相接触线张力(τ),由Gibbs于1870年代首次引入,其中τ的实验测量值取决于所研究的特定系统。

质感表面上弹跳液滴的运动学和表面的压力稳定性

为了进一步了解液滴撞击纳米级表面的接触时间的减少,Wang等人。基于展开和缩回过程,研究了弹跳液滴的运动学。尽管液滴在不同表面上的扩散速度相似,但在回缩阶段,液滴需要更长的时间才能从具有较高固形分的表面完全回缩。这项工作表明如何增加固体分数,从而增加回缩时间。例如,超疏水性黑硅表面上的液滴可能以一致的速度缩回,以使液滴以最快的速度后退。因此,Wang等人出乎意料。注意到在100 nm 表面纹理上的超疏水反弹行为,固体分数为0.44

为了了解结果,科学家然后开发了一种通过系统地测量工程表面上前进和后退接触角来量化接触角滞后的方法。具有较高固体分数的表面延迟了液滴的回缩,特别是偏离了预期的超疏水弹跳行为。因此,很有趣的是要理解为什么防水昆虫表面没有采用具有较低固形分的质地来更有效地除水。为此,王等。研究了当水滴撞击固体表面经历两种撞击压力模式时,纹理表面对撞击液滴的压力稳定性。第一种模式是液-固接触表面的水锤压力第二种模式是扩散阶段的动压。因此,研究小组表明,高固体含量是昆虫承受雨滴冲击压力以使其完全脱落的重要要求。

固体成分的凹入微纹理表面的压力稳定性测试

Lin Wang及其同事以这种方式展示了高固体表面上的纳米级纹理如何首次减少了反弹液滴的接触时间。这些发现揭示了一种前所未有的策略,可以减少液滴在固体表面弹跳的接触时间。高固相率表面球队取得超疏水弹跳行为(Φ 小号 = 0.44)与纳米级纹理大小近似为100nm。这些发现揭示了昆虫如何逃脱雨滴的高速撞击。这项研究提供了实验证据,以证明需要高固功能纹理来应对雨滴的冲击压力。从技术上讲,是一种紧凑的纳米级纹理材料,可以排斥液滴的高速撞击 接触时间减少的应用将在促进防污个人防护装备,昆虫大小的飞行机器人和小型无人机方面有一系列应用。

 

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