自清洁表面

Self-cleaningsurfaces—virtualrealities自清洁表面指的是利用空气、阳光、雨水等自动清除表面污渍的表面，例如荷叶的表面。毫无疑问，自洁表面的应用将会对我们的生活产生很大的影响。而制备出具有可控润湿性的表面是获得理想自洁表面的根本。通常而言，获得自洁表面一般有两种途径：1、通过水膜的形式去除污渍。2、通过水滴的形式去除表面上的污渍。其具体的原理如下：这种方式中，表面多为超亲水表面，水滴在表面上将摊开成一层水膜，污染物颗粒会附着在水膜上，防止其直接与表面接触。随着水膜的流动，污染物将被冲刷掉，达到自清洁效果。而对于采用水滴的形式自洁的表面，多为超疏水表面。其清洁机理是水滴在材料表面滑动或滚动时，将材料表面的污物吸附在水滴表面，并将其带离材料表面，达到自清洁效果。而对于这两种自洁方式，主要和表面的润湿性有关。固体表面上液滴的平衡形状由三相界面张力所决定即（固气、固液、液气界面），满足杨氏方程时，表面的液滴形状达到稳定。即：sgsllg-=cos方程中，只有当液滴非常小时（毫米到微米级别），其重力作用忽略不计，这时，液滴在表面上近似的呈球面帽状，液气界面和固体表面相交，夹角为θ，θ角为液滴的实际浸润角。杨氏方程是所有润湿现象的基础，大多数情况下，液滴与表面呈部分润湿现象；当固液界面张力与液气张力之和等于固气界面张力时实际浸润角趋向于0度，此时表面上的液滴将会摊开成一层薄膜，即全润湿。相反，如果实际浸润角为180度时，液滴在表面将尽可能的聚拢，表面不润湿。但是，表面的润湿性是可以改变的。通过对表面力进行调节，我们可以获得全润湿表面，即某些材料存在热力学润湿相变现象，在材料的特征温度时，部分润湿的表面可以转变成完全润湿表面。而运用这种方法却不能获得不润湿的表面。通过单独采用化学修饰表面力，可以使浸润角增大到120°左右，例如采用含氟高聚物涂层或者硅层等。如果要使浸润角趋近于180°，就必须采用另外的一种手段：改变表面结构由温泽方程：*=rcos可得，液滴在粗糙表面的表观浸润角θ*与其在光滑表面的实际浸润角θ有关，并且方程中的r1表示的表面粗糙度，及粗糙区域与光滑区域的比值。从这个方程中我们可以看出，表面的润湿性可以通过调节表面的粗糙度来改变。对于疏水表面（θ90°）增加表面粗糙度，将会降低其润湿能力，而对于亲水表面（θ90°），增加表面粗糙度将会增强表面的润湿能力。对于粗糙的表面，我们可以假设它是多相的表面，及其表面由固体表面和空气穴组成，则Cassie和Baxter假设：ggsscos*=cos+cos其中θ*为粗糙表面的表观浸润角，θg、θs分别为液滴与气体表面和固体表面的实际浸润角，Φg和Φs分别为两相所占的百分比。如果其中一个表面仅仅是空气的话，如下图：则公式中cosθg等于-1则公式可以变形为：sscos*=-1+1+cos（）其中，Φs为表面的固体所占的比例，对于疏水表面，如果粗糙度很大的时候Φs趋近于0而这时θ*就趋近于180°。总结起来就是：如果表面具有高的界面自由能，粗糙度将促进润湿。（液体倾向于积累在表面的沟槽中，毛细现象）而如果表面具有较低的表面自由能，粗糙度将会不利于润湿。（此时如果液体在沟槽中流动的话将消耗更多的能量）液滴倾向于在沟槽的顶端，这种现象最典型的就是荷叶效应。而对于自洁表面而言，光有表面润湿能力是不够的，要实现表面的清洁，污染物必须能够在表面上被运输，并从表面脱落。最主要的两种方法如前面所述。液滴在粗糙表面上，其接触角存在一个滞后现象，即存在一个前进接触角和后退接触角，如下图所示：并且，迟滞现象随着接触角的增大而减小，在光滑的平面上时，液滴不存在迟滞现象。迟滞现象对液滴运动有十分重要的影响。因为在运动过程中，液滴必须通过外部的力来克服这种迟滞现象，如果迟滞现象太大，外力无法克服时，液滴就会粘黏在表面上，并且液滴变干之后，在表面上形成污渍。例如汽车身上的污点等。而如果液滴与表面的接触角足够大时，假设170°，这时液滴在表面将会发生滚动，而不会发生滑动（迟滞现象减弱）对于制备具有自洁功能的表面，一般有三种情况即规则结构的粗糙表面、不规则结构的粗糙表面，还有一种就是介于二者之间。常用的方法有等离子刻蚀技术，等离子化学沉积。而这种具有自洁功能的表面，可以被用在高科技领域和日常生活领域。例如运用疏水表面和清水表面结合的原理制备出液滴微流系统，用于控制各种反应的进行或用于制备DNA芯片。同时在日才生活中，主要用于窗玻璃的自洁，以及医学等领域。但是目前，自洁材料的运用受到了一定的限制，主要原因就是材料表面的老化和损坏。不能实现向荷叶那样自动修复。