關(guān)于接觸角滯后現(xiàn)象的教學(xué)設(shè)計(jì)探討

屈鈞娥　王海人　曹志勇

【摘 要】本文介紹接觸角滯后現(xiàn)象的主要教學(xué)內(nèi)容，并對本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)方法進(jìn)行探討，提出采用講解課本知識、介紹科研實(shí)例以及穿插科教視頻的模式來開展教學(xué)，在理論聯(lián)系實(shí)際的基礎(chǔ)上對知識點(diǎn)進(jìn)行講解。

【關(guān)鍵詞】接觸角滯后 多元化教學(xué) 理論聯(lián)系實(shí)際

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）01C-0148-02

材料表界面課程是我校材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)選修課，使用教材為華東理工大學(xué)出版社出版的《材料表界面》（第二版）。主要包括兩大部分內(nèi)容：第一部分是表界面化學(xué)知識，包含液體界面、固體表面、固液界面以及表面活性劑四章內(nèi)容。第二部分為四大類材料，即高分子材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料在應(yīng)用中涉及的基本表界面問題。固液界面一章中“接觸角滯后現(xiàn)象”知識點(diǎn)與很多生活現(xiàn)象密切聯(lián)系，其中介紹的Wenzel方程和Cassie方程是目前功能材料開發(fā)熱點(diǎn)領(lǐng)域，即超浸潤表界面材料領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。為了將理論聯(lián)系實(shí)際，達(dá)到學(xué)以致用的最終目的，本部分知識點(diǎn)的教學(xué)采用講解課本知識、介紹科研實(shí)例以及穿插科教視頻的多元化教學(xué)模式來完成，取得了較好的教學(xué)效果。

一、基本知識的介紹

基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)中第一部分內(nèi)容為滯后現(xiàn)象中前進(jìn)角、后退角，以及最大前進(jìn)角和最小后退角四個(gè)基本概念的理解。在播放Flash動(dòng)畫實(shí)例演示向液滴里面增加和減少液體量時(shí)，液體邊界面以及液體體積變化過程的基礎(chǔ)上，對上述四個(gè)概念進(jìn)行了解釋。并在理解概念的基礎(chǔ)上介紹了斜坡法測量最大接觸角和最小后退角的方法。

滯后現(xiàn)象的原因剖析為第二部分知識要點(diǎn)。滯后現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋汗腆w表面的粗糙度；固體表面的不均勻性和多相性；固體表面的污染。通過圖解和公式推導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法引入了Wenzel方程Cosθw= rCosθy（θw為Wenzel接觸角，r為表面粗超度系數(shù)，θy為楊氏接觸角），和Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+f2cosθ2（f1和f2為第1種和第2種物質(zhì)的面積分?jǐn)?shù)，θ1和θ2為液體在第1種和第2種物質(zhì)表面上的真實(shí)接觸角）。由Wenzel方程可知當(dāng)θy< 90°時(shí)，表面粗糙化將使接觸角更小；當(dāng)θy> 90°時(shí)，表面粗糙化將使接觸角變大。而在Cassie公式中低表面能物質(zhì)所占表面積分?jǐn)?shù)越大，整個(gè)材料表面體現(xiàn)出的宏觀接觸角越大，反之則越小。由此總結(jié)出開發(fā)超浸潤材料的理論依據(jù)，第一是需要較大的表面粗糙度，第二是可以通過改變復(fù)合界面各相的面積百分比來調(diào)控材料表面的宏觀浸潤性能。而引起滯后現(xiàn)象的第三個(gè)因素——固體表面的污染可以通過前兩個(gè)因素加以解釋。污染物既可以增加表面粗糙度，又可以使表面變成非均相表面，從而導(dǎo)致了接觸角滯后現(xiàn)象。

基于以上學(xué)習(xí)，總結(jié)可知樣品的表面狀態(tài)對接觸角的測試有很大影響，比如表面吸附油污則會(huì)影響表面的均勻性從而影響接觸角的數(shù)據(jù)，而試樣表面粗糙度不一致也可能會(huì)影響接觸角的數(shù)據(jù)可比性。所以在測定時(shí)，要盡可能控制溫度、濕度、液體的蒸汽壓以及固體表面的清潔度和粗糙度等因素，以便獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

二、超浸潤材料介紹

在理解接觸角滯后現(xiàn)象的成因后，能運(yùn)用原理指導(dǎo)特殊浸潤性固體表面的構(gòu)筑，才真正達(dá)到了學(xué)以致用的目的。因此選用了最為典型的仿生超浸潤材料的科研進(jìn)展和開發(fā)實(shí)例進(jìn)行了介紹。

在仿生超疏水材料方面，主要以荷葉、蟬翼以及水黽腿為代表進(jìn)行了介紹。為了剖析結(jié)構(gòu)與性能之間的本質(zhì)聯(lián)系，利用微觀分析手段如透射電鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等研究其微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們在表面微觀結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)為微米和納米級的結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，而在表面能方面的共同點(diǎn)為材料本身是以碳?xì)湓貫榛驹氐牡捅砻婺芪镔|(zhì)。因此總結(jié)出構(gòu)筑疏水材料的兩個(gè)要素：低表面能物質(zhì)，微納米粗糙表面微觀結(jié)構(gòu)。而這兩個(gè)要素的理論基礎(chǔ)正是前面所學(xué)的Wenzel公式。低表面能物質(zhì)本身對水的接觸角大于90°，因此對應(yīng)于Wenzel方程中θy>90°的情況，表面粗糙化將使接觸角變大，當(dāng)接觸角大于150°就達(dá)到了超疏水狀態(tài)。而科研實(shí)例也證明用電紡絲、模板法等技術(shù)制備的粗糙低表面能聚合物，可以成功獲得超疏水的效果。用溶膠凝膠、表面沉積以及化學(xué)蝕刻等方法制備粗糙微納米結(jié)構(gòu)再結(jié)合低表面物質(zhì)（如長鏈烷烴、氟硅烷等）自組裝修飾，也可以得到超疏水表面，這些實(shí)例印證了Wenzel公式關(guān)于超疏水表面構(gòu)筑要素的理論原理。并在此基礎(chǔ)上給同學(xué)們簡要介紹了超疏水材料在一些應(yīng)用領(lǐng)域：如沙漠集水、遠(yuǎn)洋輪船涂料、建筑玻璃、冰箱內(nèi)壁、天然氣管道以及微量注射器的應(yīng)用原理。

超親水方面的研究方面主要以天鵝絨竹竿和紫葉蘆莉草等為代表進(jìn)行了介紹。表面的結(jié)構(gòu)分析表明高表面能和表面粗糙度或孔隙率是制備超親水表面的關(guān)鍵參數(shù)。可以通過在親水材料表面構(gòu)建微納粗糙或多孔結(jié)構(gòu)制備超親水表面，這正好對應(yīng)于Wenzel方程θy< 90°時(shí)的情況，表面粗糙化將使接觸角更小；而且接觸角越小，表面粗糙度的影響越大。構(gòu)筑超親水表面的第二種途徑是利用紫外光或可見光照射光敏性材料，如TiO2、ZnO和 SnO2 等。如TiO2 在紫外光照射下，在氧化物表面形成氧空位，以捕獲空氣中的水分子形成表面羥基，進(jìn)一步吸附空氣中的水分，在缺陷的周圍形成高度親水的微區(qū)，雖然其余區(qū)域仍保持疏水性，但親水表面積遠(yuǎn)大于疏水微區(qū)面積，因此在宏觀上表現(xiàn)出超親水特性。這對應(yīng)于Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2，高表面能物質(zhì)的面積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，可以使整個(gè)表面的宏觀浸潤性表現(xiàn)為超親水。超親水表面具有自清潔、高效熱傳導(dǎo)和優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景，如玻璃防污、設(shè)備防霧、醫(yī)學(xué)設(shè)備及材料，油水分離等。在課程上對這些領(lǐng)域超親水材料的應(yīng)用原理也進(jìn)行了簡要介紹。

通過對以上超浸潤材料開發(fā)實(shí)例的了解，激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣、發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維。同學(xué)們將理論聯(lián)系實(shí)際，更為深刻地認(rèn)識了接觸角滯后現(xiàn)象的理論原理以及實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也是對學(xué)生學(xué)以致用綜合能力的培養(yǎng)。

三、視頻教學(xué)擴(kuò)展思路

在本課程的最后播放了兩段小視頻，第一段是美國宇航局基于荷花自清潔功能開發(fā)防塵宇航服的視頻。該視頻的解說中提到了導(dǎo)致荷葉超疏水自清潔特性的兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是荷葉表面的微納米結(jié)構(gòu)，二是水滴與荷葉表面實(shí)際固液接觸面積只占固液界面的1%，其余部分為水滴和空氣的接觸面。然而在視頻中沒有直接聯(lián)系理論公式進(jìn)行解釋。因此觀看這段視頻之后，在課堂上設(shè)計(jì)了討論環(huán)節(jié)，讓同學(xué)們思考并討論如何用公式中的理論解釋視頻中提到的以上兩個(gè)關(guān)鍵因素。大多數(shù)同學(xué)都能將微納米粗糙結(jié)構(gòu)和Wenzel方程聯(lián)系起來，但卻少有學(xué)生聯(lián)系公式解釋空氣的作用。因此在這里對學(xué)生進(jìn)行了提示，由于微納米粗糙結(jié)構(gòu)中保留了空氣，這些部位水滴不是直接跟荷葉接觸，而是跟空氣接觸，形成水氣界面，而水在空氣環(huán)境中接觸角近似于180°，且該部分面積占到約99%，因此代入Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2 后，使得荷葉表現(xiàn)出來的宏觀接觸角大大增加，達(dá)到超疏水的要求。這里通過視頻的觀看和討論思考，對第二部分學(xué)習(xí)內(nèi)容又進(jìn)行了進(jìn)一步補(bǔ)充：對于超浸潤性表面，要將Wenzel方程和Cassie方程聯(lián)系起來分析，粗糙度和非均勻性兩種因素共同作用改變表面的浸潤性能，讓同學(xué)們對超浸潤現(xiàn)象有了更為綜合的認(rèn)識。

播放的第二段視頻為關(guān)于壁虎的視頻，介紹了壁虎腿上微精細(xì)的絨毛結(jié)構(gòu)。由于絨毛的表面積非常之大，因此和接觸面之間產(chǎn)生了巨大的范德華作用力，以至于可以克服重力在屋頂天花板上爬行，并介紹了基于此原理開發(fā)超強(qiáng)微納米粘附陣列的一些研究實(shí)例。觀看完視頻后，對視頻內(nèi)容進(jìn)行了回顧，在此基礎(chǔ)上對課堂內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。基于前面章節(jié)介紹的粘附功和Young-Dupre公式， 回顧了固液界面浸潤現(xiàn)象的本質(zhì)，即為固體表面分子對液體分子的分子間作用力，分子間作用力強(qiáng)便可以吸引水分子鋪展，獲得好的浸潤性，反之則反。而壁虎實(shí)例中超強(qiáng)的固固界面結(jié)合強(qiáng)度同樣來源于兩種固相之間的分子間作用力。進(jìn)一步總結(jié)，課程中所學(xué)過的所有界面現(xiàn)象，包括固液、液氣、固氣以及固固界面現(xiàn)象，均可以從最本質(zhì)的分子間作用力的角度進(jìn)行理解和分析。這也是我們哲學(xué)中所說的透過現(xiàn)象看本質(zhì)，抓住本質(zhì)、掌握規(guī)律，便可對相關(guān)的現(xiàn)象深入理解，最終達(dá)到學(xué)以致用、融會(huì)貫通的效果。

通過傳統(tǒng)課本知識講解模式、再輔以科研實(shí)例介紹以及科教視頻穿插的多元化教學(xué)模式完成接觸角滯后現(xiàn)象的教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力，擴(kuò)寬了學(xué)生的知識面。將理論公式的學(xué)習(xí)融入相關(guān)實(shí)踐實(shí)例和科研發(fā)展動(dòng)態(tài)的了解中，達(dá)到了對知識點(diǎn)透徹理解、融會(huì)貫通的效果，同時(shí)也激發(fā)了同學(xué)們的好奇心和對科研探索的興趣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡福增，陳國榮，杜永娟.材料表界面（第二版）[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2007

[2]趙曉非，楊明全，章磊等.仿生超疏水表面的制備與應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2016（9）

[3]李小紅，丁彬，俞建勇.靜電紡制備超疏水表面纖維膜的研究進(jìn)展[J].合成纖維，2009（11）

[4]張?jiān)婂叱ｄJ，狄桓宇等.霸王鞭和麒麟掌葉片的表面微結(jié)構(gòu)及超疏水性[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2012（3）

[5]李艷峰，于志家，于躍飛等.鋁合金基體上超疏水表面的制備[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2008（1）

[6]楊臥龍，紀(jì)獻(xiàn)兵，徐進(jìn)良.從自然到仿生到實(shí)際應(yīng)用的超親水表面[J].化學(xué)進(jìn)展，2016（6）

（責(zé)編 丁 夢）