荷叶效应与毛细现象

1. 荷叶效应与毛细现象 高温合金部 陈晓燕（10博）

2. 荷叶效应 荷叶效应指荷叶从淤泥中长出来表面也非常干净，即周敦颐所谓的“出淤泥而不染”，使得水珠与荷叶产生不润湿的现象。 为何会有这种荷叶效应呢？荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基(-OH)、(-NH)等极性基团，很容易吸附水分或污渍，用传统的化学分子极性理论来解释，不仅解释不通，恰恰是相反。也不能从机械学的光洁度角度来解释，因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度，用手触摸就可以感到它的粗糙程度。

3. 荷叶表面微观结构 经过科学家长期的研究观察，发现荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突由许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。 乳突

4. 荷叶自清洁机理 荷叶“乳突”间的凹陷部分充满着空气，在紧贴叶面上形成一层极薄的纳米级空气层，使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘并滚出叶面，使得荷叶“出淤泥而不染”，形成荷叶效应。

5. 毛细现象 毛细现象是指将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，由表面张力与润湿现象的联合作用，管内外液面产生高度差的现象。当液体与构成毛细管的固体材料润湿时，管中液面升高并呈凹状；当液体与毛细管材料不润湿时，管中液面下降并呈凸形。并且，液体上升或下降的高度与毛细管内径有关。 H2O Hg

6. 毛细现象无处不在 上水石 生活中，毛细现象无处不在。上水石、蜡芯、植物的茎叶、毛巾、海绵、粉笔、砖块等多孔物质通过毛细作用吸收水分等物质。 蜡芯 植物叶茎 纸巾

7. 荷叶效应及毛细现象的启示—润湿 完全润湿 (=0) 不润湿 (=180) 实际上，荷叶效应与毛细现象都与润湿有关。润湿是指在一块固体表面上滴少许液体，在未滴液体之前固体和气体接触，滴上液体后取代了部分固-气界面，产生了新的固-液界面的过程。根据固液界面和气液界面之间夹角的大小，可分为润湿(<90)和不润湿(90<<180)。毛细现象包含润湿和不润湿现象；而荷叶效应为不润湿现象。 润湿 不润湿

8. 润湿的分类及应用 通常，研究材料间润湿性时，将其分为两大类：一是非反应性润湿，指液体与固体接触时无相互溶解、扩散、化学反应等行为；二是反应性润湿，指固液界面间存在一系列的相互作用，伴随着复杂的物理化学过程，包括原子互扩散、物质溶解、化学反应产生界面产物等。 非反应润湿 反应润湿 洗涤 染印 焊接 润湿现象在许多行业有广泛的应用，如印染、焊接、洗涤等。

9. 973K 1073K 1173K 1273K 影响润湿性的因素—温度 铝熔体在金红石基片上的润湿角示意图 温度越高，润湿角越小，润湿性越好。

10. 影响润湿性的因素—化学成分 0.01wt. %碳 0.1wt. %碳 0.3wt. %碳 不同碳含量的高温合金在氧化铝陶瓷上的润湿 化学成分的改变将引起两种材料间润湿性的改变，这在制备复合材料、焊接等工程领域具有重要的指导意义。

11. 影响润湿性的因素—界面反应 Time: t=0s t=5s t=11s t=20s t=31s t=150s t=1500s 反应层 or 扩散、渗透 高温合金在氧化铝陶瓷上的润湿 随时间延长，高温合金熔体与陶瓷间发生扩散及界面反应，产生反应层，导致合金/陶瓷间的润湿性增强，润湿角明显减小。

12. 谢谢！ 注：本科普作品部分图片来自网络，部分来自文献及自己的实验结果，经作者整理加工而成。