特殊润湿功能表面的理论、构筑与应用

1、特殊润湿功能表面的理论、构筑与应用润湿现象是自然界普遍存在的重要界面现象, 与我们的日常生活密不可分,具有重要的实际应用和科学研究价值。自1997 年 ,Planta报道荷叶表面的自清洁特性以来 , 具有特殊润湿性的表面材料受到了广泛的关注。材料表面的特殊润湿性具体体现在表面对液体的极端排斥作用或极端亲润作用 , 衡量材料表面润湿性的一个重要指标是液体的接触角, 接触角大于 150的表面被称为超疏水表面或超疏油表面, 接触角接近于 0的表面被称为超亲水表面或超亲油表面 , 如果在一定外界刺激下材料表面的特殊润湿性发生转变, 这类表面又被称为润湿响应性表面。由于在抗污、自清洁、抗水雾、化学防护、

2、隔热抗冰、流体减阻、油水分离、微型制造、微流体调控等领域的巨大应用潜力,近年来 , 科学工作者在自然生物表面润湿特性的启发下, 开发出了许多具有特殊润湿功能的表面材料 , 极大推动了表面科学的发展。然而 , 科学界在揭示表面润湿性与结构内在关系方面还未形成统一的理论；在表面异质润湿性方面还没有明确的实施途径和润湿机理；在表面极端润湿性方面还未能实现对几乎所有液体均具有排斥作用的超全疏表面。着眼于上述亟待解决的科学问题 , 本论文首先从银杏叶向阳面和背阴面迥异的润湿现象出发, 通过微观结构分析以及仿生研究揭示银杏叶表面的特殊润湿性机制及其生态学依据；然后 , 通过数学建模和理论计算探讨表面微观结

3、构和宏观润湿性的定量关系, 并通过对响应性超疏水表面、反常超亲水超疏油表面以及功能超全疏表面的研究,以系统的实验数据验证表面结构与润湿性的理论关系；进而深入探讨特殊润湿功能表面在自清洁、 智能调控、油水分离、化学防护以及减阻运载等领域的应用前景。本论文在此研究基础上 , 首次建立了特殊润湿功能表面的理论、构筑与应用的系统研究方法 , 取得了以下主要创新性研究成果：在仿生超疏水表面的研究方面 , 首次揭示了银杏叶背阴面具有稳定的超疏水特性 , 这主要是由背阴面球形颗粒凸起的微观形貌以及银杏叶表面的蜡质化学结构决定的； 仿照银杏叶背阴面特殊润湿现象的结构机理 , 通过化学手段在人工表面上再现了与天

4、然表面相匹敌的超疏水自清洁特性； 此外 , 基于偶氮苯衍生物的光致异构现象 , 成功提出了超疏水表面的光致润湿作用机理 , 并且还首次实现了表面超疏液和超亲液两种极端润湿状态之间的动态、连续和循环的智能调控。在结构与润湿性理论研究方面 , 启发于银杏叶特异润湿现象的结构机制 , 率先建立了宏观粗糙表面的球形结构和纤维结构的微观模型 , 并从液体接触角、润湿体系自由能、复合润湿状态的稳定性以及表面对空气的容纳能力等多个方面进行了全面详尽的理论推导 , 首次形成了一套对实际表面特殊润湿现象进行系统分析和表征的理论研究方法。在表面的化学异质性研究方面 , 通过系统的表面功能设计和有效的润湿性能控制

5、, 首次构筑了一种机械、化学以及热稳定的反常超亲水超疏油表面；近百种液体的润湿性研究表明 , 这种反常表面不但对极性液体具有即时响应的选择润湿作用 , 而且对非极性有机液体还具有超强的抗润湿作用 , 这种反常的表面润湿特性在文献报道中是独一无二的；进而结合表面元素分析 , 首次提出并成功验证了反常表面的二元异质性润湿机理；在此基础上 , 深入系统地研究了超亲水超疏油表面的自清洁和油水分离应用 , 研究结果展示出这种反常表面具有非常广阔的实际应用前景。在探索表面抗润湿性极限方面 , 首次详细阐述了具有超低表面能的多级粗糙结构在超全疏表面的设计和开发中的重要作用： 利用静电纺丝技术成功获得了的一种有机无机杂化的低表面能多级粗糙性超全疏表面；研究表明, 上百种不同物理性质液体均具有超高的接触角和超低的接触角滞后, 这种极致的抗润湿作用不仅成功验证了多级粗糙结构重要作用, 还成功刷新了超全疏表面的抗润湿性极限 , 这在文献报道中也是独一无二的； 此外 , 还首次提出并验证了这种具有完美抗液性超全疏表面的化学防护机制, 系统展示了在表面自清洁、化学防护、流体表面运载等领域无可比拟的实际应用前景。本论文所展示的这些实验和理论研究成果,