作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 配有高固含量纳米级表面纹理的防水昆虫示例
(一)蚊子眼睛、一条弹簧尾巴和蝉翅膀的光学和扫描电子显微镜图像，显示了高固体分数纳米级表面纹理的存在(照片信用:L
W
宾夕法尼亚州立大学)
(二)各种防虫剂的固体分数φs和相应的质地大小D的曲线图
注意，不同昆虫表面的固体分数在~0范围内
25至~0
64，其显著高于植物表面(例如
g
，φs ~ 0
01)
误差线表示五个独立测量的SDs
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb2307 由于其防水功能，许多自然表面可以迅速脱落水滴
1945年，科学家凯西和巴克斯特将自然表面的防水功能与其表面纹理联系起来
因此，使用低固体分数纹理(表示为φs)是设计防水表面的关键原则
在这项工作中，王麟和美国宾夕法尼亚州立大学材料科学、生物医学工程和机械工程的一组科学家
S
减少了高固体分数表面上弹跳液滴的接触时间(即
e
φs ~ 0
25比0
65)通过将表面纹理尺寸减小到纳米级
他们展示了纹理尺寸小于100纳米的高固体分数表面如何能够将弹跳液滴的接触时间减少大约2
与300纳米以上的纹理尺寸相比，为6毫秒(ms)
相对于现有的表面润湿性理论，在固体表面上观察到的与纹理和尺寸相关的接触时间的减少是第一个研究成果
王等
将纳米级表面上液滴接触的减少归功于主要的三相接触线张力
基于压力稳定性实验，该团队进一步展示了表面固体部分是如何被能够承受雨滴冲击的昆虫生物转化的
研究结果现已发表在《科学进展》杂志上
纳米级表面在生物有机体中具有多种作用，对昆虫的生存至关重要，例如蛾眼的抗反射特性、蚊子的防雾特性、蝉的自清洁技术和蜻蜓的抗生物污染
飞虫身上雨滴的快速分离对它们的生存也至关重要
例如，雨滴对蚊子的影响持续时间大约为0
5至10毫秒；主动和被动液滴脱落联合机制的时间框架
植物和蝴蝶翅膀也可以保持微尺度的模式，将水滴的冲击破碎成更小的碎片，以减少水滴接触的时间
然而，材料科学家仍然必须理解防水昆虫表面的高固体分数和纳米级纹理是如何导致雨滴在撞击时快速脱离的
为了探索纹理尺寸效应和液-固相互作用，王等
设计了一系列生物感应的、类似昆虫的纹理表面，用硅烷单层涂覆它们以诱导表面疏水性(憎水性质),并进行了一系列实验
固体分数下不同纹理大小表面上弹跳水滴接触时间的比较 测量弹跳液滴在纹理表面上的接触时间 在实验过程中，研究小组用测试液滴保持了卡西-巴克斯特状态(非均匀表面润湿)，并比较了有纹理表面上弹跳水滴的接触时间
纹理尺寸小于300纳米的表面显示反弹液滴的接触时间减少
与现有的表面润湿理论相比，固体表面上液滴接触的纹理尺寸相关的减少是第一次研究
理论上，接触时间可以相对于水的密度和表面张力来预测
当液滴撞击纹理表面时，它会扩散到最大直径，并像“液体弹簧”一样从表面缩回
在低固体含量的纹理表面上，液滴的液-气界面张力决定了液体弹簧的弹簧常数
同时，任何来自液-固相互作用的贡献都可以忽略
然而，科学家不能忽视高固体分纹理表面上的液-固相互作用，其中φs等于0
44，这是由于在液滴下面形成三相接触线而产生的附加能量影响了它们的反弹能量
为此，王等人
考虑三相接触线张力(τ)，由吉布斯在19世纪70年代首次提出，其中τ的实验测量取决于所研究的特定系统
纹理表面上弹跳水滴接触时间的比较
(一)弹跳水滴的延时图像(直径d0 ~ 2
3 mm，韦伯数We ~ 31
6)在固体分数φs = 0的表面上
四十四
约100纳米织构的液滴比约300纳米织构的液滴脱落更快
d表示每个凹柱的纹理帽尺寸，tc表示接触时间
在固体分数φs = 0的表面上进行相同的跌落冲击实验
25
液滴同时从两个表面分离
插图显示了制造的纳米级凹洞纹理的扫描电镜图像
所有扫描电镜图像中的比例尺，200纳米；光学图像中的比例尺，1毫米
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abb2307 纹理表面上弹跳液滴的运动学和表面的压力稳定性 为了进一步了解液滴撞击纳米级表面的接触时间的减少，王等人
研究了基于扩张和收缩过程的弹跳液滴的运动学
虽然液滴在不同表面上的扩散速度相似，但在收缩阶段，液滴从固体分数较高的表面完全收缩所需的时间较长
这项工作显示了固体分数的增加如何增加回缩时间
例如，超疏水黑硅表面上的液滴可以以一致的速度缩回，以使液滴以最快的速度缩回
因此，没想到王等人
注意到固体分数为0的100纳米表面纹理上的超疏水反弹行为
四十四 凹角纹理表面对雨滴冲击的压力稳定性
(一)相图，显示凹洞纹理表面对雨滴冲击的压力稳定性，作为纹理大小和固体分数的函数
为了击退冲击的雨滴，它需要在纹理表面上有足够的毛细压力来承受雨滴锤压力
P*定义为PC与PH的比值，I
e
，P* = PC/PH
注意，当高固体分数φs时，纹理尺寸D小时，纹理表面是压力稳定的
结果表明，防虫织物表面纹理的所有几何参数都在压力稳定范围之内或附近
(二)实验结果显示液滴撞击具有不同几何参数的凹洞纹理表面
末端速度~4的水滴
0米/秒冲击凹入式支柱，导致水锤压力ph1
2兆帕和We ~ 505
五
表面纹理大小为200纳米，固体分数为0
44能够将液滴保持在卡西-巴克斯特状态(实心星符号)，而其他表面上的液滴处于部分文泽尔状态(空心星符号)
比例尺，2毫米
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abb2307 为了了解结果，科学家们开发了一种方法，通过系统地测量工程表面上的前进和后退接触角来量化接触角滞后
具有较高固体分数的表面具有延迟的液滴回缩，明显偏离了预期的超疏水反弹行为
因此，理解为什么防水昆虫表面不采用固体含量较低的纹理来更有效地去除水分是很有趣的
为此，王等人
研究了水滴撞击固体表面时，纹理表面对撞击液滴的压力稳定性
第一种模式是液固接触表面的水锤压力，第二种模式是扩散阶段的动压
因此，研究小组表明，高固体含量是昆虫承受雨滴冲击压力以完全脱落的重要条件
含固体部分的凹入微织构表面的压力稳定性试验 通过这种方式，王麟和他的同事们首次展示了高固体表面的纳米级纹理是如何减少弹跳液滴的接触时间的
该发现揭示了一种前所未有的策略，以减少固体表面上反弹液滴的接触时间
该团队在高固体分数表面(φs = 0
44)具有接近100纳米的纳米级纹理尺寸
这些发现揭示了昆虫是如何逃脱雨滴的高速撞击的
该研究为高固相功能织构对抗雨滴冲击压力的必要性提供了实验证据
从技术上来说，一种能够在减少接触时间的情况下抵御液滴高速冲击的紧凑纳米级纹理材料，将在促进防污个人防护装备、昆虫大小的飞行机器人和小型化无人机方面有广泛的应用
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