【《超浸润界面的理论模型概述》1300字】

超浸润界面的理论模型概述1.1接触角的定义如图1–2（a）所示，接触角（contactangle）是指在固、液、气三相交界处，自固-液界面经过液体内部而到达气-液界面之间的夹角，通常用θ来表示。图图1–2接触角（a）接触角定义图（b）接触角与润湿性的关系图固体表面的润湿性通常以测量接触角（contactangle,CA）的方法来判断，如图1–2（b）所示，当θ＜10°时为超亲水表面，当θ＜90°时为亲水表面，当θ＞90°时为疏水表面，当θ＞150°时为超疏水表面。1.2Young’s方程及其理论模型Young氏方程[18]是由ThomasYoung在1905年提出的，根据应力平衡理论描述了理想的固体表面的润湿。如公式1–1所示，式中γsl,γsv,γlv分别为单位面积液-固界面、固-气界面、液-气界面的界面自由能。（公式1–1）Young氏方程也证明了光滑固体表面的润湿性直接受表面化学组成的影响。1.3Wenzel方程及其理论模型Wenzel方程[19,20]是在Young氏方程的基础上，引入了固体表面的粗糙因子r，r定义为液体与基材的实际接触面积与表观接触面积的比值。如公式1–2所示，式中θw是液滴处在Wenzel状态下粗糙表面的表观接触角。（公式1–2）Wenzel方程认为液体和固体界面之间是完全浸润的（如图1–3（a）所示），因此，液体会充满粗糙结构，液体与固体实际的接触面积总是大于表观接触面积，即r＞1。根据Wenzel方程，当θ＜90°时，由于r≥1，cosθ的值大于0，θ随着r的增加而减小，表面变得更亲液；当θ＞90°时，cosθ的值小于0，θ随着r的增大而增大，表面变得更加疏水。因此可知，粗糙结构能够改变固体表面的浸润性。使得亲水表面变得更加亲水。疏水表面变得更加疏水。图1图1–3（a）Wenzel模型（b）Cassie模型（c）Wenzel与Cassie模型共存1.4Cassie-Baxter方程及其理论模型Cassie和Baxter[21]认为空气是绝对疏水的，液滴在粗糙表面上的接触是一种复合接触形式[22]。因此，当固体表面粗糙度到达一定程度后，液体就不能再完全浸润固体表面，会在液相与固相的界面之间会出现空气柱（如图1–3（b）所示），所以液体与固体实际的接触面积总是小于表观接触面积，即r＜1。其引入了固-液接触面积分数f。如公式1–3，1–4所示，式中θc是液滴处在Cassie-Baxter状态下粗糙表面的表观接触角。（公式1-3）（公式1–4）由Cassie-Baxter模型可以推导出，固体表面粗糙因子r和固-气界面之间浸润情况f都对表观接触角有着显著的影响，即提高基材表面粗糙度和提升固-气界面的接触面积即降低基材表面能，有利于提高液体的表观接触角。1.5过渡态方程及其理论模型从之前描述的Wenzel模型以及Cassie-Baxter模型可知，可通过改变固体表面的粗糙度来增大固体表面接触角。但其机理是不相同的，Wenzel模型是通过增加固体表面粗糙度来提高接触角的，而Cassie-Baxter模型则是通过降低固-液界面的接触面积来增大接触角的。当液体在受到外力（电势、冷凝、物理挤压等）作用时，其在固体表面的浸润效果可能会发生变化，从而可以实现Wenzel模型与Cassie-Baxter模型之间的转换[23–26]。当发生这种转变时，在外力的作用下，液体将会充满固体表面的粗糙结构，同时接触角会变小，固体表面超疏水性降低甚至变得亲水。此时固体表面存在临界接触角θT，即过渡态模型[27]（如图1–3（c）所示），方程如公式1–5所示。cos当90°＜θ＜θT时，体系处于Wenzel状态与Cassie状态之间的过渡状态，当θ＞θT时，体系处于Cas