【正文】 他將 Young氏方程修改為： 式中 r定義為粗糙度因子，是指固體的真實(shí)面積與其投影表觀面積比， θw是粗糙表面的表觀接觸角 .對(duì)于 Wenzel方程，液體和粗糙固體表面接觸的部分是完全浸潤(rùn) ,由于粗糙度因子 r總是大于 1，（ 1） θ90o時(shí)， θw隨著表面粗糙度的增加而降低，表面變得更親液；（ 2） θ90o時(shí)， θw隨著表面粗糙度的增加而變大，表面變得更疏液。 Materials Chemistry II 超疏水狀態(tài) 超疏水表面五種假設(shè)的狀態(tài)： (a)Wenzel狀態(tài)， (b)Cassie狀態(tài)， (c)Lotus狀 態(tài)， (d)Wenzel與 Cassie的過(guò)渡態(tài)， (e)Gecko狀態(tài)。 Materials Chemistry II 最常見(jiàn)的超疏水狀態(tài)有兩種： Wenzel狀態(tài)與 Cassie狀態(tài)。對(duì)于Wenzel狀態(tài)，水滴以浸潤(rùn)模式接觸表面，就像是 “ 釘 ” 在表面上，表現(xiàn)出了極大的接觸角滯后。由于此時(shí)水滴在表面上不能在表面上滾動(dòng)，所以測(cè)量滾動(dòng)角不能反應(yīng)表面的接觸角滯后。相比較而言，在 Cassie狀態(tài)下，水滴以非浸潤(rùn)模式接觸表面 。此時(shí)由于水滴與表面較低的粘附力，水滴很容易從表面上滾走。這種表面的接觸角滯后現(xiàn)象就可以通過(guò)測(cè)量滾動(dòng)角來(lái)反映。 作為 Cassie狀態(tài)的一個(gè)特例 ——Lotus狀態(tài)：分級(jí)結(jié)構(gòu)； Gecko狀態(tài) ：在 Cassie狀態(tài)下，復(fù)合表面的空氣的是與環(huán)境連通的。 Gecko狀態(tài) 一種是與環(huán)境相通的；另一種是被封閉在 PSNT內(nèi)的，一旦水滴被外力拉，封閉在納米管內(nèi)的空氣的體積將發(fā)生相應(yīng)的變化而引起負(fù)壓，這樣就可能產(chǎn)生一個(gè) “ 粘附 ” 力 。 Materials Chemistry II 結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)濕性的影響 — 從天然到人工合成 （ a）分級(jí)微納米結(jié)構(gòu)及其對(duì)水表現(xiàn)出的超級(jí)抗粘附力 荷葉具有 161o左右的接觸角（ Contact Angle (CA)）和小到 2o的滾動(dòng)角（ Sliding Angle (SA)），這是其具有超強(qiáng)自清潔效應(yīng)的根源。根據(jù) Barthlott和 Neinhuis的研究表明，其較大的接觸角主要是由于荷葉表面的植物蠟以及微米尺度的乳突結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。其表皮的植物蠟提供了低的表面能，而微米尺度的乳突結(jié)構(gòu)則在其和水接觸時(shí)創(chuàng)造了大量的空氣空穴，這對(duì)提高其超疏水性也是至關(guān)重要的。然而，如果根據(jù)上述模型進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，則能得到的最大的理論接觸較為 147o，其比實(shí)驗(yàn)值小了很多。江雷研究組最近發(fā)現(xiàn)在荷葉的表面存在大量的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)。荷葉表面自由分布的乳突的直徑從 5μm到 9μm不等（圖 ）。而在乳突上面還包含著平均直徑為 124nm左右的樹(shù)枝狀的結(jié)構(gòu)（圖 ）。這種結(jié)構(gòu)在乳突之間同樣存在（圖 ）。理論模擬表明加上這些納米結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，荷葉的接觸角可達(dá)到 160o以上，這樣就可以較好地和實(shí)驗(yàn)值相吻合。 Materials Chemistry II 為了探索微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)接觸角和滾動(dòng)角的影響，具有和沒(méi)有這種分級(jí)結(jié)構(gòu)的兩種碳納米管陣列膜層被用做對(duì)比研究。圖 底上采用化學(xué)氣相沉積的方法均勻地沉積上一層均相催化劑而得到的由垂直于基底的多壁碳納米管組成的純納米結(jié)構(gòu)。這些碳納米管的尺寸在 15nm到 50nm之間。盡管這種膜層的接觸角高達(dá) 160o左右，但是其滾動(dòng)角也高達(dá)30o，表明在這種表面具有一個(gè)較大的接觸角滯后和對(duì)水具有較強(qiáng)的粘附力。同樣如果采用化學(xué)氣相沉積的方法沉積上一層異相催化劑，可得到荷葉狀結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列膜層。這種具有微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的膜層的的接觸角為166o左右，而其滾動(dòng)角只有 3o。這種對(duì)比表明分級(jí)結(jié)構(gòu)不僅可以提高膜層的疏水性，而且還可以帶來(lái)小的接觸角。 （ a）分級(jí)微納米結(jié)構(gòu)及其對(duì)水表現(xiàn)出的超級(jí)抗粘附力 Materials Chemistry II 圖 荷葉（ AC）和人造碳納米管陣列（ DF）表面的微納米結(jié)構(gòu) 荷葉和人造碳納米管陣列表面的微納米結(jié)構(gòu) Materials Chemistry II （ b） 各項(xiàng)異性排列微結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)濕性的影響 各向異性的表面結(jié)構(gòu)同樣對(duì)潤(rùn)濕性具有很大的影響。稻葉的各向異性去潤(rùn)濕現(xiàn)象就是一個(gè)很好的例子。掃描電子顯微鏡的圖像（圖 ）表明稻葉的表面具有類似于荷葉的分級(jí)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的，其也表現(xiàn)出了良好的超疏水性質(zhì)。然而不同的是稻葉上的乳突在平行于稻葉的方向上（箭頭 a）一維有序。水滴可以在這個(gè)方向上自由滾動(dòng)，但是在垂直于該方向（箭頭 b）上卻運(yùn)動(dòng)困難。 這中現(xiàn)象發(fā)生在稻葉上是因?yàn)槿橥坏母飨虍愋缘呐帕小６扇~上由于乳突的均勻分布，水滴在其表面的運(yùn)動(dòng)各向均相同。為了模擬這種現(xiàn)象，通過(guò)控制催化劑在基底表面的分布制備了具有類似稻葉表面結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列（圖 ）。這種表面結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出了類似于稻葉的潤(rùn)濕性，證明了各向異性的分級(jí)微結(jié)構(gòu)確實(shí)對(duì)表面的性質(zhì)有著很大的影響。 Materials Chemistry II 圖 各向異性的結(jié)構(gòu)及其特殊的潤(rùn)濕性：（ A）稻葉；（ B）稻葉類似表面的碳納米管陣列膜層；（ C）典型的三維各向異性的碳納米管陣列的SEM圖片（柱狀間隔為 20μm）；（ D）水在具有不同柱間隔的（ C）膜層■ ,6μm?！?10μm?！?,13μm。? ,15μm。▼ ,20μm，以及在平整硅基底○上的擴(kuò)展行為 各向異性的結(jié)構(gòu)及其特殊的潤(rùn)濕性 Materials Chemistry II 可以預(yù)測(cè)在三維各向異性排列的分級(jí)微結(jié)構(gòu)表面將有著更加有趣的潤(rùn)濕行為。為了驗(yàn)證這種想法，科學(xué)家們制備了三維各向異性的碳納米管陣列（圖 ）。這些周期性的圖案是由相互交錯(cuò)的垂直和水平排列的碳納米管陣列組成。有趣的是，水在這些表面的潤(rùn)濕性和擴(kuò)展行為和基底地上柱狀排列的間距密切相關(guān)。如果間距較小，水滴會(huì)在表面迅速鋪展而使膜層表現(xiàn)出非常親水的狀態(tài)（ CA30o） (圖 )。當(dāng)間距很大時(shí)，水滴可以在膜層上停留幾秒鐘然后再擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。如果間距合適，膜層是超疏水的。這表明通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)而不用改變表面的自由能，就可以將膜層的性質(zhì)在非常親水到超疏水之間進(jìn)行調(diào)控。進(jìn)一步的研究表明，在膜層中水平排列的碳納米管的作用類似于親水組分而有助于水滴的擴(kuò)展，而垂直排列的碳納米管陣列的作用類似于超疏水組分。這些組分的不同排列造成了上述現(xiàn)象的發(fā)生。 Materials Chemistry II （ c） 水黽驚人的超疏水力 水黽擁有獨(dú)特的可疏水的腿部，它們能毫不費(fèi)力地站立在水面上，并且在水面上快速移動(dòng)，以前一種普遍的說(shuō)法認(rèn)為以上現(xiàn)象歸因于蠟物質(zhì)所引起的表面張力效果 ，然而最近的研究表明，由水黽腿表面分泌的蠟產(chǎn)生的接觸角為105o，不足以說(shuō)明水黽腿部顯著的疏水性， 已知一個(gè)有低表面能的物體的微觀結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)它的疏水性， 所以我們對(duì)水黽腿部的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究 Materials Chemistry II （ c） 水黽驚人的超疏水力 圖 非潤(rùn)濕性的水黽的腿：（ A）當(dāng)水黽的腿刺穿水表面瞬間產(chǎn)生的最大凹坑的側(cè)視照片，插圖為水黽一條腿上接觸角為167177。 （ B）水黽腿上無(wú)數(shù)取向的紡錘形剛毛的掃描電子顯微鏡照片， 插圖為單根剛毛上的納米尺度的凹槽結(jié)構(gòu) Materials Chemistry II 圖 177。 ，腿才會(huì)進(jìn)入水面。單腿的最大支撐力是 152達(dá)因， 是昆蟲(chóng)全身重量的 15倍左右 。 相應(yīng)的排水量大約是腿自身的 300倍 。水黽單條腿上的靜態(tài)接觸角也高達(dá) 167177。 ，證明其腿呈現(xiàn)超級(jí)疏水的性質(zhì)，掃描電鏡照片顯示水黽腿部有大量取向的剛毛。它們呈針狀，直徑從三微米至幾百納米不等（圖 ）。大多數(shù)剛毛長(zhǎng)度約 50微米，許多纖細(xì)的納米尺度的凹槽明顯分布在每一根微型剛毛上，以上這些 形成一個(gè)獨(dú)特的有等級(jí)的結(jié)構(gòu) 。根據(jù)cassie潤(rùn)濕模型，這樣的微觀結(jié)構(gòu)可以被看作是固體和氣體（空氣）組成的混合表面。在微型剛毛和納米溝槽中的空氣在腿水間形成了一個(gè)空氣墊，阻止了腿被潤(rùn)濕。這 一獨(dú)特的微米、納米結(jié)構(gòu)的混合存在于腿表面賦予了水黽腿超疏水性質(zhì)和驚人的斥水力 ，使得水黽能夠在水上生存。這種發(fā)現(xiàn)同樣也為其在微應(yīng)用流體學(xué)和水上機(jī)器人的應(yīng)用方面提供了可能。 水黽腿具有超強(qiáng)疏水性和斥水力的原因 Materials Chemistry II 通過(guò)構(gòu)筑表面結(jié)構(gòu)創(chuàng)造超疏水性 在表面構(gòu)筑微納米結(jié)構(gòu)的方法：如激光燒蝕