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科普直播回顾|揭开荷叶仿生材料的奥秘

发布:复纳科学仪器(上海)有限公司
浏览次数:225

飞纳三点半第十四期

直播回顾


2022 年 9 月 7 日

中秋节专场

“荷”你一起过中秋

周三 15:30 准时开播

飞纳电镜的应用工程师

带领大家使用扫描电镜

对比了新鲜荷叶和烘干后荷叶的结构

揭开了荷叶自清洁的奥秘

同时对具有疏水性耐脏污的T恤

以及荷叶仿生超疏水雨伞进行了测试

探索了荷叶仿生面料疏水耐污的原因


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# PART . ONE

荷叶自清洁的奥秘

新鲜荷叶VS干燥后荷叶对比测试



剪取一小块新鲜的荷叶,直接贴在钉台的导电胶上,并将荷叶四周固定好,使用气罐吹扫。


将制备好的荷叶直接放入飞纳电镜中进行微观形貌观测。在扫描电镜下,荷叶的叶面并不像我们肉眼所看到的那般光滑细腻,而是分布着一个个小的凸起乳突,并可以看到张开的气孔。乳突平均尺寸约 10 微米,平均间距在 20 微米左右。


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荷叶表面 SEM 图


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荷叶表面的 3D 重构图


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测量乳突直径和间距


如果再将其中一个乳突进行放大观察,当把显微镜倍数放大到 5000 倍时,就能看到乳突上面还密密麻麻地分布着细微的棒状蜡制晶体。它们的长度接近一微米,直径则在 100 纳米左右。也就是说,在荷叶表面存在着复杂的微米纳米双重结构,也正是这种结构决定了荷叶特殊的疏水性能。


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乳突表面的棒状蜡质晶体

(放大倍数:5,000X)


这些乳突可以看作是一个个隆起的小山包,它们之间的凹陷部分充满着空气。而水滴的最小直径为 1-2 毫米,远大于乳突之间的尺寸。所以当雨水落下时,乳突与水之间会隔着一层极薄的空气层,水只能与小山包的顶端有一些接触,而不能浸润到荷叶的表面。又因为表面张力的作用,水滴就会保持球状体,并在滚动的过程中吸附灰尘,最 终滚出叶面。


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那么干燥后的荷叶还是否具有疏水性能呢?微观结构又是什么样呢?我们取一小片荷叶,放至 60 摄氏度的烘箱中,干燥 30 分钟后取出进行疏水性能测试。我们发现,干燥后的荷叶表面仍然具有良好的疏水性能。


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干燥后荷叶

疏水性能测试


取烘箱干燥后未经疏水测试干燥的荷叶部位进行制样,使用飞纳电镜观测,发现干燥后的荷叶,表面仍然分布着一个个小的凸起乳突,不过细胞已经变得干瘪,且已看不到气孔。


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干燥后荷叶表面 SEM 图


疏水衣物的奥秘

荷叶仿生衣物 VS 普通衣物对比测试


T恤疏水性测试

我们分别剪取一小块衣物面料,制样后放到飞纳电镜下观测。


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观察发现疏水性面料和普通面料在微观形貌上具有一定的差异性。普通面料的纤维表面相对较为光滑,但是也存在少量的附着物。相对于普通面料的衣物,荷叶仿生衣物面料表面相对较为粗糙,且表面具有较多的附着物。


材料表面的自由能决定了材料是亲水还是疏水,自由能越低,疏水性越强。而表面微观的粗糙度决定了亲疏水的强度,表面越粗糙,疏水性越强。所以增加表面的粗糙度有利于增大表面的疏水性。


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普通衣物 SEM


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荷叶仿生衣物 SEM


为了进一步探究附着物的成分,我们进行了能谱测试,结果表明附着物主要成分为 C、O、F、Si。为什么含有这些元素?超疏水的性质是如何形成的呢?按照热力学规律,表面能高的物质无法在表面能低的物质表面铺展开,若是表面能比水低的物质,如含有硅、氟的物质就会表现出疏水性,水在这样材料的表面会尽量缩成一个球形。


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荷叶仿生衣物面料表面SEM图

(放大倍数:10,000X)



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荷叶仿生衣物面料能谱结果


荷叶仿生伞的奥秘


61.jpg荷叶仿生雨伞疏水原理


和水落到荷叶表面类似,当有水洒落在荷叶仿生雨伞上时,会形成水珠滑落伞面,抖动雨伞后,伞面上几乎无水珠残留。


取一小块伞面布料,制样后放到飞纳电镜下观察,发现和疏水衣物面料表面微观结构类似,纤维表面都有较多的附着物。结合能谱结果发现,主要成分主要为 C、O、Si。


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荷叶仿生雨伞布料 SEM 图

(放大倍数:1,000X)


63.jpg


荷叶仿生雨伞布料 SEM 图

(放大倍数:10,000X)


57.png


荷叶仿生雨伞面料表面附着物能谱结果


参考文献:Wang, D., Sun, Q., Hokkanen, M.J. et al. Design of robust superhydrophobic surfaces. Nature 582, 55–59 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2331-8





2022-09-09
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