文档介绍：荷叶效应的研究刘双平俞熹作者简介:刘双平(1988/5),男,湖南长沙人,复旦大学物理系2006级本科生。指导教师:俞熹(1978/1),男浙江东阳人讲师博士,2004年毕业于英国诺丁汉大学,现任复旦大学物理实验中心副主任。负责近代物理实验教学。研究方向为低温扫描显微镜,核磁共振及成像技术(NMR&MRI)。Email:。(复旦大学物理系,上海200433)摘要荷叶效应源于物体表面微米-纳米结构带来的超疏水性。本文通过较为简便的实验装置,研究了超疏水表面的水滴形态;在MATLAB环境下,利用图形工具箱(IPT)对数字图像进行处理;结合Runge—Kutta算法和Newton—Raphson迭代法,通过拟合Young—Laplace方程实现了对接触角较高精度的测量;并在此基础上,定性地研究了Wenzel态和Cassie态下水滴润湿性质的不同以及超疏水表面对于不同粒度的沙粒的自清洁能力,对认识荷叶效应这一自然界中的常见现象提供了简便而直观的方法。关键词荷叶效应;超疏水;自清洁;接触角;Young-Laplace公式;数字图像处理1引言荷花(NelumboNucifera)被认为是纯洁的象征,这一说法源于荷叶所具有的独特的“荷叶效应”:水滴能在荷叶表面自由地滚落,同时带走其表面的灰尘和杂质。荷叶的这种自清洁效应与荷叶表面的超疏水性有着密切联系;[1],揭示了荷叶表面的微米和纳米级的结构是导致超疏水性以及自清洁效应的关键。这一发现对于仿生学有着重要的意义:通过模仿荷叶的表面结构,人们可以制备出人造超疏水表面[2][3][4],并由此衍生出大量的实际应用[5][6],如建筑表面的防水防尘,衣物的防污等。因此,研究荷叶效应的特性对于认识物体表面的润湿性以及其在实际中的一些应用很有帮助。目前市场上用来研究表面润湿性的仪器价格较为昂贵,且使用方法比较复杂,这就为初步研究荷叶效应的相关特性以及相关演示实验的设计设置了很高的门槛。本文通过组合一些常见的简便仪器,观察到微小液滴在超疏水表面的形态,并结合MATLAB的数字图像处理技术较为精确地测量出了相应的接触角;同时对该超疏水表面对于不同粒度灰尘的自清洁能力进行了定性的研究。该实验装置和流程简单易行,同时结合了定量和定性研究两种实验方法,对学生进行荷叶效应的初步探究以及相关教学演示实验提供了很好的解决方案。,接触处的切线与固体表面所成的角(图1–a)。当这个接触角不小于150°时,该固体表面可以认为是超疏水表面[7](图1–b)。(a)(b)固体表面的液滴形状可以用Young—Laplace公式描述:图1接触角示意图(1)其中是液滴表面的压强,为水的表面张力,和为液滴某一点的两个主曲率半径。对于重力场下的轴对称液滴,只需取出液滴沿固体平面垂直轴的一个截面进行研究。利用相关的几何关系,可以将(1)式写为[8](图2): (2)图2轴对称液滴几何分析其中、为图2中的相应坐标,为液滴轴对称顶点的曲率半径,为液面两相的密度差,为重力加速度,为过曲线上某一点的切线的斜率值。(2)式是对液滴形状进行拟合的理论基础。:Wenzel态和Cassie态图2Wenzel态(a)和Cassie态