身体的

莲花效应

如何使水在表面上滑动而不润湿呢?莲花或鸭子发现了解决方案。这名男子又进入轮流,并发现具有不寻常的属性的下降。

Mathilde Reyssat和DavidQuéré 用于科学347
本文保留用于科学用户
在77年出版的自然历史中,前者普遍缓解了滴形成球体的趋势。到处都是,我们告诉我们,我们将它们焕然一新,而且最简单的方式表明它包括“灰尘扔水,或叶子的毛茸茸的表面”。注意观察的精细性:因此,一滴水在固体上留下球形,它必须具有特殊的表面,覆盖着小的粗糙或微米,通常几乎可见,这将负责这种加强疏水性。这是“莲花效应”,莲花是其中叶子的植物之一,水湿的水(见图1)。它可能需要合成这些材料的实际兴趣:滴水掉球,在暴露在水后它们保持干燥。通过潜在的应用(混凝土或疏水玻璃,抗手刮板,抗烧制涂料,反布玻璃),化学家和物理学家刺激乘以大约十年来制造这样的表面,并强调在这种情况下偏心落下的行为。在描述动态方面之前,我们将首先审查超细恐怖症的静态特性。

要了解这些现象,从最极端的疏水状况开始,它被称为CALAction。这种现象仅仅250年前由德国生理学家Johann Gottlob Leidenfrost在1756年发表于一滴水的非凡条约。本书中最着名的部分涉及液体在极热板 - 钢上的液体在300°C时的行为。滴剂是非常移动的,并且不会煮沸。如果它们被保留俘虏(莱登弗洛斯顿用于将小勺子捕获到白色),则液滴经常持续几分钟,比他们的支持的温度长得多。 Leidenfrost正确地解释了这些实验:蒸汽薄膜在痛风和热板之间插言,并保持悬挂的下降,如小气垫船。因此,由于蒸汽层的绝缘功率,因此其非凡的移动性,并且蒸发减慢了。对于毫米降,该层的厚度,通过将蜡烛从后面放置并观察下降下的光线滤波来评估leidenfrost的leidenfrost的厚度为0.1毫米。这种厚度由两个拮抗现象之间的折衷结果产生:下降通过蒸发馈送蒸汽膜,但同时其重量支持蒸汽和狩猎。

然而,普通滴与莱森弗罗斯特的滴度截然不同。与后者不同,它们仍然最常粘在他们的支持下,甚至陡峭。如果它们贬低斜坡,它们的速度通常仍然非常适度,左上厘米每秒。这两个性质与存在,对于这些平庸的滴,接触线 - 与固体上的液体球边界边界的线,以及固体,液体和空气相遇的线。这条线具有紧贴固体的故障,因此允许液体粘附。另外,液体的厚度在线附近变得非常小,使得粘性力(与运动相对的摩擦力,并且与液体厚度成反比)非常大。这为这些液体提供了这些小围绕液体我们认识他们的乌龟的步伐。

实现莱顿弗罗斯特的情况的“冷”是有趣的,其中空气或蒸汽薄膜在痛风和固体之间进行互动。为了更接近,一个想法是制造固体固体,使得放置在表面上的水不会通过粗糙的顶点触摸它,因此主要是与空气接触。但是制造粗糙的固体是不够的:如果固体相当润湿液体,它将选择相反的是浸渍固体之间存在的空间,以使最大液体接触表面。它被命名为“Wenzel的状态”,该工程师的名称是在1936年首次描述的,这种状态在液体渗透到固体的质地(见图4B)。因此实现了一种静态状态(液体嫁接固体的表面),以及超级求(粗糙度,通过液体湿,保留它),与我们在此讨论的相反。

制备非常疏水性固体的第一步是从化学疏水材料:通过定义,水与钝接触角的这种材料加入,大于90度(参见图2a)。蜡,Teflon意识到这种状态。亲水性固体(例如玻璃或金属)可以通过用硅烷,碳质和有时氟化分子反应,将其组织成固体表面(例如纳米厚度草)的紧凑型单层,并且足够修改表面属性。通过选择相当疏水的分子,我们会获得“莱顿弗罗斯特材料”,接触角是180度的?没有任何内容:具有已知(氟化分子)的最疏水性化学物质,接触角不超过120度,远离其最终值为180度 - 因此相应的液滴表现得非常类似于我们更多地观察到更多平板材料(例如塑料)。

需要微观纹理

当旧飞机理解它时,也必须有必要纹理这些材料的表面。五年来,已经提出了一种良好的一百种方法来执行这些结构。有些非常便宜:通过一块玻璃的火焰,它被视为黑色,因为它的表面上的一层烟灰沉积。烟灰是碳微粒附聚物,因此在使其疏水的同时构成玻璃的表面。实际上,一滴孤独的水的角度为120度,大约为160至170度;这证明了微纹理的存在放大了材料的天然疏水(参见图2B)。

许多天然物质具有这种超疏水性能,它们的物理化学分析表明,它们都是由有利化学的并置(蜡,最常见)和微观结构的并置。 1997年,两名德国植物学家Wilhelm Barthlott和Christoph Neinhuis已列出约200个超疏水植物(接触角度大于140度的标准),其中包括莲花,郁金香,玉兰或银杏。许多动物也有全部或部分的超疏水体,出于易于理解的原因:鸭子可以从池塘中脱掉干燥,而杰里斯(一种水生虫)徘徊在它的表面上,甚至是跳跃,没有,他的爪子不会沉入水中。

在所有已知的自然系统中,它是表现与最高水的接触角度的Geris标签;该角度可能大于175度,尽管难以在该限制中测量这些角度。电子显微镜显示,这种腿具有尖峰结构,米尺宽,完美组织(见图3)。

最近在实验室制造了类似的结构(见图4A);首先是1999年由JoséBico,在法国学院,以及圣戈伯,然后在2000年由托马斯·麦卡锡(Thomas McCarthy)于阿默斯特大学。微光刻技术提供这种微观螺柱表面,能够调整参数(高度,直径,垫的范围),这允许您搜索具有最佳特性的表面。已经提出了其他解决方案,例如覆盖垂直于支撑件的碳纳米管表面,并将其装饰为纳米叶的森林。

在所有这些表面上,水滴通常采用球形,以非常高的角度加入支撑件。可以示出,该角度是化学相同的角度的平均值,但是我们最多看到的等于120度),并且从空气上的角度(180度,就像我们所知道的那样莱登弗罗斯特),平均值的加权因子由液体下的固体和空气的相对比例决定。因此,关键参数是痛风下的垫密度,当螺柱的上表面占明显表面的百分之不到百分之下时出现的超疏水效果。我们建议称“州Fakir”这种情况,其中液体放在垫片上,如钉垫上的粉底垫(见图4c)。

防止痛风粉彩酒吧放弃它的“钉子”地毯

我们很诱惑减少垫的比例,进一步增加空气上占有的水的一部分。但我们猜测可能发生了什么:稀释太多的“钉子”,我们的Fakir痛风将指向​​结构,并实现Wenzel的粘合状态。

这不仅仅是制造一个骗子状态,还有必要使其变得坚固,能够抵抗强调。相反,诱导这样的过渡可能是有趣的,例如以停止并在其运行结束时锚定锚。在法国学院的AurélieLafuma在2003年实施的一种方式来量化Fakir Drop的稳健性,包括两个相同的“指甲”之间的扁平化,另一个相同的“钉子”。低压,没有发生任何事情;但除了压力阈值之外(图4的表面的200个Pascals的阶数),抑郁症发生。这通过接触角的变化来表现出来,特别是当两个“地毯”消失时发生的事情:由于每个表面上的(或在)每个表面上的附件,液体被分成两个透镜,这加入它们的支撑急性角度 - 疏水材料上的矛盾性质,但证明了锚固强度的良好。

我们想知道是什么让这个临界压力设定。普遍的想法如下:下降下的液体 - 空气界面(垫之间)几乎是平坦的表面缺陷的尺度,因为它们具有与下降本身相同的曲率(该曲率固定球的内部压力,在平衡时,恒定)。当我们按下,我们曲线曲线,直到,如果我们按压足够强,请在“背景”。然而,在这些疏水表面上,Wenzel的状态往往比Fakir状态更稳定:由于许多液体空气界面,所有小的空气穴位导致非常高的表面能。因此,一旦建立液体固体接触,水就会侵入结构并产生,以最小化表面能。

这种情况的一个重要结果是它提供了游行,以实现强大的Fakir状态,在那里这种转变不再发生:这足以增加支柱的高度。所以,即使我们强烈支持,液体也达到底部;即使是这样做,Wenzel的状态也会更有利,因为它需要水符合大面积的疏水材料(因为螺柱的高度),这是不利的。杰里斯爪子效果的秘诀在于。所执行的人工微观结构以来(通过碳纳米管的非常高柱的形式)已经示出了对Empha的非常高的电阻,临界压力将下降太高而无法测量。

如果我们返回较少的微观结构样本,可以相反,可以利用Fakir状态和Wenzel状态的共存。我们对这两个州之间的铣削过渡有很多感兴趣。我们首先,超出了引用的压力经验,试图控制这种过渡。通过施加电场可以实现,该电场促进扩散,或离开滴落蒸发(小滴,更大的曲率,趋于点)。我们还可以计划或放弃支持的下降。如果冲击速度超过某个阈值,则在纹理中印刷一部分液滴(参见图5)。在这样的实验中,通过厘米表面上的惯性看到毫米水滴;在中心出现暗和几乎方形区域,这证明了下降的凹陷(部分):如在泡沫中,浸渍的暗材料,这种浸渍揭示了摩托的微米级的有序结构材料,因为它再现模式(除了角落之外,在地表能量方面的变形非常昂贵)。

粉末一滴......

谈论影响我们自然导致什么使超细疾病表面如此壮观:它们的动态行为。我们现在只考虑鲁棒的超疏水表面,Fakir状态是稳定的(如我们所看到的那样,与我们相当高,相当多的垫比例)。如leidenfrost下降,掉落,粘附到这些表面上很少,并且没有通过垫的上表面与它们相互作用,通常小于基面的百分之十:90%。接触是用空气进行的,没有附件。它可以更准确和比较,在倾斜的材料上,下降拾取所需的液体体积。在给定的表面上,发现Fakir降低的是,该体积通常为100倍,对于一滴温革,这反映了Fakir状态的无与伦比的流动性。

在法国学院的Pascale澳大利亚展示于2001年,仍然可以通过首先将疏水性颗粒洒在1至50微米之间的液体颗粒:烟灰,蕨类植物的孢子。,用硅烷处理的二氧化硅珠粒,仍然可以放大。,用硅烷处理的二氧化硅珠粒如普通观察到的,或者更简单的灰尘。在这种非常细的粉末上提出的一滴水会滚动(只要有斜坡),将覆盖着晶粒。因此,粉末,液体对其支撑不敏感,即它不再接触,通过晶粒层与其分开。因此,粉末的简单先前沉积物是一种产生非永久性超细恐怖症的方法,适用于任何支持的支持 - 类似于用硅氧烷产品在挡风玻璃上进行的,但是由此产生的疏水性更高。

......并使它滚动

这些柔软球的偏差使得可以说服自己动态的非常不寻常的性格。即使所考虑的液体物质是非常粘稠的(甘油,或蜂蜜),液滴也使速度缩短,速度通常比在常规表面,塑料上观察到的速度超过1000倍。这些快速运动有时会产生惊人的后果。在进行的一个实验中,液滴,粘度比水的300倍,相对于水平的倾斜平面耗尽30度的倾斜平面。然后,下降的速度是每秒约一米(它是其终端速度,这是由其重量与作用的摩擦力之间的平衡产生),其形状与最初的球体非常不同(见图6)。甚至有两种可能的步伐:滴剂是一种花生或哑铃,其同时枝条,或者形成液轮。标记表面的晶粒的存在证明,这些血液细胞卷起固体;并且它是这种旋转,以高速安装,塑造这些物体。

大约一个世纪前,HenriPoincaré详细描述了旋转落水的形状,并且一个人认为车轮(扁平球体与杆子的演变的结果,成为哑铃结束的光盘(这证明了球状分裂成两件的可能性是用于对离心场进行可变形的质量的自然形式。后来,印度天体物理学家Subrahmanyan Chandrasekhar注意到,只有哑铃的形式应该存在,因为它具有较低的表面。实际上,这两种形式是可能的,但是车轮更不稳定:如果它留下其支持(因此被认为是其稳定的原因,仍然被误解),它夹在哑铃中并不可逆转地转变为哑铃(见图6C)。

从实际的角度来看,这些形式不仅仅是目睹运动的速度。他们还实现了紧凑的状态,允许通常的运动产生押金(如图窗口上的雨曲线曲折,或脸颊上的撕裂所示),在液体通过后固体保持干燥:不仅运动是快速的,而且没有丝毫泄漏,与静态相关的动力学,以保持这些情况的超疏水性特征。

我们在影响时观察到同样异常的行为。我们已经看到掉落的一部分可以在表面纹理中打印 - 但它只发生在“脆弱”的Fakir表面上,也就是说,短而少数的结构比例。对于具有更密集纹理的表面,在非常热的板上观察到相同的现象:下降被表面擦除,其在其上以弹性球的方式呈篮板(见图7)。

一个意见者为什么没有更多的平板表面观察到反弹。冲击的开始是相同的:下降始于散布,在惯性的影响下。但是,由于存在接触线的存在,粘性起源的摩擦是相当大的(就像我们上面指出的那样,所以粘有这种展开的散布(在缩回相)的摩擦非常大。 ,单一设计的一滴)。相反,对于不润湿其支撑的滴,这些摩擦效应几乎可以忽略不计,这可以在冲击的影响下展开痛风,并起飞。

它还指出,这些阶段的扩散和重新划分,所有更多的倍数和冲击速度都很高,产生了下降的部分碎片。在起飞时构造的是一种液体龙骨,它在液滴中自发地破坏泡沫,通常是水的喷射器:一系列滴表面比它所在的气缸更少,使得流体内聚力(这是为了最小化水体的表面)促进这种破碎化。然而,从实际的角度来看,达到预期结果:即使我们尝试湿,超疏水底物也保持干燥。这可能是导致许多植物采用这种涂层的原因之一:它们提到雨水,这可能会淹没它们,在它被吸收的地面上。

因此,我们今天明白了超细恐怖症的机制,以及由此产生的异常动态。所以,当绕组,混凝土或超疏水组织时?主要障碍涉及这些材料的老化:固体表面上的微腔可以污染(宿主悬浮的油)。这些物质不仅失去了其性质,而且通过施工,也很难清洁。另外,如果已知至少一百种不同的方法在微观结构是疏水表面的情况下,则仍然忽略它是给定申请的微观结构(Antiplie,抗纤维,抗FIP)和服用的最佳抽取考虑到。可能的额外压力(材料透明度,色彩效果等)。

监督

但是,最有前途的应用可能与几个月前的实验成熟的财产相当相关,在阿默斯特乔纳森罗斯坦队的乔纳森·罗斯坦队:滑动这些表面产生Vis-in-Vis-is。同样,两个超疏水状态(Fakir状态和empal状态)之间的区别是中心。它已知几年来,水可以在倾倒在光滑的疏水表面时滑动:但是滑动的幅度保持适度,其精确特征仍然是辩论的对象。当地面是纹理的,在里昂大学的CécileCtictin-百iz和他的同事们在2003年表明,在击球子州的独家条件下,转变被强烈放大,J. Rothstein的经验已经证实了什么。因此,可以产生提供非常减小的摩擦的材料,并且这些效果是更壮观的,因为流动的尺寸本身很小。因此,100微米的微流体装置的通道可以用微型纹理装饰,允许流动很大程度上促进,而这些小尺度通常会妨碍液体的运动。超疏水材料类型“Fakir”不仅是非粘性的,而且是监督。

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