東亞飛蝗體表潤濕性測試及疏水機理分析

王立新

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

1008-1542(2017)05-0411-07

10.7535/hbkd.2017yx05001

東亞飛蝗體表潤濕性測試及疏水機理分析

王立新

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為探尋用于疏水表面制備的仿生原型，測試了東亞飛蝗(Locustamigratoriamanilensis)體表典型部位的潤濕性。采用掃描電子顯微鏡和三維形貌干涉儀對體表微形貌結(jié)構(gòu)進行了觀測，基于Wenzel模型和Cassie-Baxter模型簡要分析了體表典型部位的疏水機理。結(jié)果表明，體表不同部位的潤濕性呈現(xiàn)差異，其中水滴在內(nèi)翅表面的接觸角相對較大(132.92 ± 4.73)°，在外翅表面的接觸角相對較小(119.47 ± 4.32)°，在頸部和口器表面的接觸角介于兩者之間。外翅表面分布著～100 μm級脊狀凸起和納米級蠟質(zhì)膜層，內(nèi)翅表面覆蓋著毫米-微米級脊狀凸起和大量微米-納米級乳突，頸部和口器表面呈現(xiàn)凹凸起伏的毫米-微米級形貌結(jié)構(gòu)，小區(qū)域的頸部和口器表面展現(xiàn)出相當(dāng)光滑的微形貌。內(nèi)翅因具有由脊狀凸起和乳突構(gòu)成的復(fù)合尺度結(jié)構(gòu)而能使水滴產(chǎn)生Cassie-Baxter接觸狀態(tài)，從而呈現(xiàn)相對較大的接觸角；其他典型部位的表面微形貌結(jié)構(gòu)使水滴產(chǎn)生Wenzel接觸狀態(tài)而呈現(xiàn)相對較小的接觸角。研究結(jié)果不僅能夠量化表征東亞飛蝗體表典型部位的潤濕特性，還可為疏水表面結(jié)構(gòu)的仿生制備提供參考。

工程仿生學(xué)；潤濕性；接觸角；疏水機理；東亞飛蝗體表

超疏水表面是指水滴的接觸角大于150°的材料表面，其在自清潔、防腐蝕、沙漠集水、海洋防污及船艦減阻等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1-4]。微形貌結(jié)構(gòu)是影響液滴在固體表面潤濕現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，故超疏水表面的制備方法主要是在具有微納形貌結(jié)構(gòu)的粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)，或在疏水材料表面構(gòu)筑微納尺度的形貌結(jié)構(gòu)[5-6]。自然界中諸多動植物體表的多尺度形貌結(jié)構(gòu)賦予其表面特殊的潤濕性，例如荷葉表面的自清潔效應(yīng)、花生葉片的高黏附超疏水現(xiàn)象、水黽附著系統(tǒng)持久穩(wěn)固的超疏水特性，以及蝴蝶翅膀和水稻葉片的各向異性超疏水現(xiàn)象[7-10]。這些具有微納復(fù)合尺度形貌結(jié)構(gòu)的生物表面為超疏水表面研制提供了仿生原型與關(guān)鍵理論。目前超疏水表面制備仍存在工藝復(fù)雜、成本高昂等問題，效法自然并獲取較為理想的仿生原型并據(jù)此形成超疏水表面研制新思路可為問題的解決提供突破契機[11-12]。因此探尋新的仿生原型，研究其表面微形貌結(jié)構(gòu)的潤濕現(xiàn)象并分析揭示其疏水機理，可為超疏水表面研制提供重要的理論基礎(chǔ)。

東亞飛蝗因具有較強的遠距離遷飛特性而最易導(dǎo)致農(nóng)作物受災(zāi)，在其對可見光源表現(xiàn)出的趨向特性[13-15]，材料表面特征對附著功能影響規(guī)律[16-18]，以及機械捕集滑板仿生研制[19-20]等方面受到普遍關(guān)注。東亞飛蝗的遠距離遷飛行為多發(fā)生在夏季夜間，體表容易受到灰塵、露水的沾染，但事實上其體表典型部分卻能夠維持較高的潔凈度，這源于所具有的特殊潤濕性和自清潔效應(yīng)。然而，已公開的文獻資料中，鮮有對東亞飛蝗體表潤濕特性定量表征的研究，也未見對其疏水機理的分析揭示。因此，本文首先通過測試東亞飛蝗體表外翅、內(nèi)翅、頸部、口器等典型部位靜態(tài)接觸角的方式量化表征潤濕特性，然后采用掃描電子顯微鏡、三微形貌干涉儀對典型部位的表面微形貌結(jié)構(gòu)進行觀測，并基于Wenzel模型和Cassie-Baxter模型對典型部位的疏水機理進行了簡要闡述。

1 材料與方法

1.1 東亞飛蝗體表

圖1 用于體表典型部位潤濕性測試和微形貌觀測的東亞飛蝗Fig.1 Locust used to measure its surface wettability of typical parts and examine the micromorphology

測試用東亞飛蝗(Locustamigratoriamanilensis)為羽化3周的成蟲(見圖1)，來源于河北石家莊北郊蝗蟲養(yǎng)殖基地。剪取其外翅、內(nèi)翅、頸部、口器等典型部位并用蒸餾水輕緩漂洗除去表面雜質(zhì)，制成1 cm ×1 cm的測試樣本，部分樣本放于潔凈環(huán)境至完全干燥，所準備的樣本將用于潤濕性測試和微形貌結(jié)構(gòu)觀測。

1.2 接觸角測試

利用視頻光學(xué)接觸角測量儀SL 150S(美國Solon公司)測試水滴(純凈水)在試驗樣本的接觸角，采用座滴法(Sessile drop)使水滴(3～5 μL)與試驗樣本接觸，接觸角測量儀自帶的高速成像系統(tǒng)采集相應(yīng)圖像并由軟件Cast 2.0分析處理，獲取接觸角信息。對于外翅、內(nèi)翅、頸部、口器等典型部位，分別從5只蟲體上獲取試驗樣本，每個試驗樣本重復(fù)測試2次，即測試獲取10組靜態(tài)接觸角數(shù)據(jù)并計算統(tǒng)計值，測試過程中的環(huán)境溫度維持在28 ℃，相對濕度控制在65%。

1.3 表面微形貌觀測及結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取

采用離子濺射鍍膜儀(Bal-Tec SCD005, Balzers, 瑞典)對干燥的蝗蟲體表外翅、內(nèi)翅、頸部和口器等試驗樣本進行鍍金處理，利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM, Hitachi S-4800, 日本)對處理好的試驗樣本進行微形貌觀測。采用三維白光形貌干涉儀(scanning white light interferometer, SWLI, Zygo NV-5000, 美國)對新鮮的蝗蟲體表頸部、口器等實驗樣本進行微形貌掃描(翅膀因透光而不能進行SWLI掃描觀測)，并保存相應(yīng)圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 體表典型部位接觸角

接觸角測試過程中，視頻光學(xué)接觸角測量儀SL 150S的高速成像系統(tǒng)采集并保存水滴在東亞飛蝗體表典型部位的潤濕狀態(tài)圖像，結(jié)果顯示內(nèi)翅表面可使水滴呈現(xiàn)相對最近似完美的球狀，而外翅表面的水滴呈現(xiàn)球冠狀，水滴在頸部、口器表面的形狀介于兩者之間(見圖2)。

圖2 水滴在東亞飛蝗體表典型部位的接觸狀態(tài)Fig.2 Contact state of water droplets on body surface of locust

圖3 水滴在東亞飛蝗體表典型部位的接觸角Fig.3 Contact angles of water droplets on body surface of locust

測試結(jié)束后，獲取接觸角的分布信息(見圖3)，水滴在內(nèi)翅表面產(chǎn)生的接觸角介于124.60°～140.99°，在外翅表面產(chǎn)生的接觸角介于116.44°～131.05°，在頸部和口器表面的接觸角分別為120.94°～135.36°和121.83°～132.33°。從接觸角的統(tǒng)計信息(見表1)來看，東亞飛蝗體表典型部位均具有顯著的疏水性，其中內(nèi)翅表面的疏水性相對最強，外翅表面的疏水性相對最弱，頸部和口器表面的疏水性介于兩者之間且具有極其相近的接觸角。從所呈現(xiàn)的靜態(tài)接觸角值考量，東亞飛蝗內(nèi)翅的表面微形貌結(jié)構(gòu)可作為疏水材料研制的仿生原型。

表1 水滴在東亞飛蝗體表典型部位的接觸角統(tǒng)計值

2.2 體表典型部位微形貌結(jié)構(gòu)

SEM觀測獲取東亞飛蝗體表典型部位的微形貌結(jié)構(gòu)圖像。外翅分布著多條縱橫交錯的脊狀凸起(見圖4 a))，其間距尺度為～100 μm；高倍數(shù)SEM圖像顯示外翅表面覆蓋著蠟質(zhì)膜層，部分區(qū)域的蠟質(zhì)膜層出現(xiàn)不規(guī)則集聚(見圖4 b))。內(nèi)翅表面不僅覆蓋著眾多脊狀凸起(毫米級間距)，還密集分布著數(shù)量巨大的乳突(見圖4 c))；高倍數(shù)SEM圖像顯示乳突底部具有微米級結(jié)構(gòu)參數(shù)，而乳突頂部的結(jié)構(gòu)參數(shù)為納米級(見圖4 d))，乳突的表面也覆蓋著蠟質(zhì)膜層。外翅、內(nèi)翅表面呈現(xiàn)的蠟質(zhì)膜層與蓮葉、豬籠草葉籠滑移區(qū)的表面結(jié)構(gòu)具有一定的相似性[2,19]，是使表面表現(xiàn)出疏水特性的重要因素。蓮葉、豬籠草葉籠滑移區(qū)表面的蠟質(zhì)晶體呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，不僅難以仿生制備，還易遭受外力的破壞，較難維持疏水效果的持久性；而東亞飛蝗外翅、內(nèi)翅具有的蠟質(zhì)晶體為膜狀結(jié)構(gòu)，不僅相對較易實現(xiàn)仿生制備，而且制備的膜狀結(jié)構(gòu)不易遭受外力的破壞，疏水效果具有一定的持久性。頸部呈現(xiàn)凹凸起伏的不規(guī)則結(jié)構(gòu)且附著較為明顯的污染物(見圖4 e))，高倍數(shù)SEM圖像顯示小區(qū)域的頸部具有相當(dāng)光滑的表面微形貌(圖4 f))。口器表面呈現(xiàn)肋條狀結(jié)構(gòu)(見圖4 g))，其長度、寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺度介于毫米-微米；與頸部類似，高倍數(shù)SEM圖像顯示小區(qū)域的口器也具有相當(dāng)光滑的表面微形貌(圖4 h))。

圖4 東亞飛蝗體表典型部位微形貌結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of micro-structures in body surface of locust

SWLI掃描獲取的三維結(jié)構(gòu)圖像能夠直觀反映測試區(qū)域微形貌結(jié)構(gòu)的縱向變化，故可估測微形貌結(jié)構(gòu)的高度信息。因東亞飛蝗的外翅、內(nèi)翅均為透光的膜狀結(jié)構(gòu)，不能進行SWLI掃描觀測，因此本研究只對頸部、口器的表面微形貌進行SWLI掃描并獲取其三維結(jié)構(gòu)圖像。如圖5所示，頸部表面呈現(xiàn)微米級凹凸起伏的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，高度變化范圍約為6.0 μm；口器表面同樣呈現(xiàn)微米級凹凸起伏的“山峰”狀結(jié)構(gòu)，高度變化范圍約為2.5 μm。

圖5 東亞飛蝗體表典型部位微形貌結(jié)構(gòu)SWLI掃描照片F(xiàn)ig.5 SWLI images of micro-structures in body surface of locust

2.3 疏水機理分析

研究指出，形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分是決定材料表面呈現(xiàn)疏水特性的關(guān)鍵因素[21]，昆蟲體表主要由幾丁質(zhì)(chitin)或蠟質(zhì)晶體(wax crystals)構(gòu)成，水滴在其光滑表面的本征接觸角分別約為100°和110°[22]，表面微形貌結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的粗糙度能夠增強材料的疏水性[23-25]。因此，東亞飛蝗體表典型部位的微形貌結(jié)構(gòu)是其呈現(xiàn)顯著疏水性(大于幾丁質(zhì)和蠟質(zhì)晶體的本征接觸角)的重要因素，結(jié)合測試獲取的接觸角數(shù)據(jù)和微形貌結(jié)構(gòu)特征信息，對疏水機理進行簡要闡述。

現(xiàn)階段主要有2種模型來描述水滴與材料表面微形貌結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)：Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。WENZEL[26-27]認為非光滑表面的存在可使實際固液接觸面積明顯大于表觀幾何接觸面積(見圖6 a))，導(dǎo)致疏水性的增強，并提出方程用以定量描述表面非光滑因素對接觸角的影響規(guī)律，見式(1)。

式中：θ和θc分別表示表觀接觸角(水滴在粗糙表面)和本征接觸角(水滴在光滑表面)，(°)；fr表示實際固液接觸面積與表觀幾何接觸面積(投影面積)的比值，即粗糙度系數(shù)。

式(1)適用的必要條件是固液之間充分接觸而無空氣存在。實際上水滴與疏水特性較強的材料接觸時，空氣通常會被截留在疏水材料表面復(fù)雜的微形貌結(jié)構(gòu)中并形成固-氣-液復(fù)合接觸界面，因此Cassie和Baxter對Wenzel模型進行修訂，認定材料表面的微結(jié)構(gòu)被空氣占據(jù)而導(dǎo)致水滴不能浸入，形成固-氣-液復(fù)合接觸狀態(tài)(見圖6 b))，并提出新的方程用以分析、計算液滴在固-氣-液復(fù)合接觸界面的接觸角[28-29]，見式(2)。

式中：fsl表示液滴實際浸潤固體面積與表觀幾何接觸面積的比值。

Wenzel模型和Cassie-Baxter模型指出表面微形貌結(jié)構(gòu)是使材料表面呈現(xiàn)較高接觸角的關(guān)鍵因素。

圖6 水滴與材料表面接觸狀態(tài)模型示意圖Fig.6 Sketch map of water droplet contacting on material surface

接觸角測試過程中，水滴(3～5 μL)在體表典型部位的接觸角為116.44°～140.99°(見圖3)，由此產(chǎn)生的接觸半徑為563～950 μm。外翅表面微形貌結(jié)構(gòu)主要由微米級脊狀凸起和納米級蠟質(zhì)膜層構(gòu)成，其中脊狀凸起是外翅表面呈現(xiàn)非光滑結(jié)構(gòu)的主要因素，但因其分部間距介于400～600 μm(見圖4 a))，所產(chǎn)生的微形貌結(jié)構(gòu)不能有效截留空氣，因此水滴接觸時以Wenzel狀態(tài)為主，進而產(chǎn)生相對較低的接觸角(116.44°～131.05°，見圖3)。與外翅相比，內(nèi)翅的微形貌結(jié)構(gòu)除了脊狀凸起(分部間距700～925 μm)外，還密集分布著大量乳突(見圖4 c)、圖4 d))，其具有微米級分布間距(約30 μm)和微米-納米尺度的結(jié)構(gòu)參數(shù)(基部約3.4 μm，頂部約320 nm)，不僅使內(nèi)翅表面具有相對較高的非光滑程度，在一定程度上還能截留空氣，因此水滴接觸時可產(chǎn)生Cassie-Baxter狀態(tài)，進而產(chǎn)生相對最大的接觸角(124.60°～140.99°，見圖3)。對于頸部和口器，其表面呈現(xiàn)凹凸起伏的微形貌且具有毫米-微米尺度的橫向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，該微形貌結(jié)構(gòu)在縱向上表現(xiàn)為“山峰”狀并呈現(xiàn)微米級高度變化(見圖5，頸部約6.0 μm，口器約2.5 μm)，但小區(qū)域的SEM觀測結(jié)果顯示其具有相當(dāng)光滑的表面微形貌(見圖4 f)、圖4 h))，頸部和口器的這種微形貌結(jié)構(gòu)很難有效截留空氣，因而水滴在其表面易產(chǎn)生Wenzel狀態(tài)，故呈現(xiàn)的接觸角(頸部120.94°～135.36°，口器121.83°～132.33°，見圖3)小于水滴在內(nèi)翅表面產(chǎn)生的接觸角。

3 結(jié) 語

基于探尋用于疏水表面制備的仿生原型，測試了東亞飛蝗(Locustamigratoriamanilensis)體表典型部位的潤濕性并觀測了其表面微形貌結(jié)構(gòu)，基于Wenzel模型和Cassie-Baxter模型分析闡述了典型部位表面的疏水機理。外翅、內(nèi)翅、頸部和口器等東亞飛蝗體表典型部位呈現(xiàn)不同的疏水性，其中水滴在內(nèi)翅表面產(chǎn)生的接觸角相對最大(124.60°～140.99°)，在外翅表面的接觸角相對最小(116.44°～131.05°)，在頸部和口器表面的接觸角介于兩者之間。外翅表面分布著脊狀凸起(～100 μm級間距)和蠟質(zhì)膜層，內(nèi)翅表面覆蓋著毫米-微米級脊狀凸起和數(shù)量巨大的微米-納米級乳突，頸部和口器表面呈現(xiàn)凹凸起伏的微形貌結(jié)構(gòu)(毫米-微米級結(jié)構(gòu)參數(shù))，但小區(qū)域的頸部和口器表面則展現(xiàn)出相當(dāng)光滑的微形貌結(jié)構(gòu)。理論分析結(jié)果顯示，內(nèi)翅因具有由微米級脊狀凸起和納米級乳突構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)而能夠截留空氣，使水滴較易產(chǎn)生Cassie-Baxter接觸狀態(tài)，從而呈現(xiàn)相對最大的接觸角；外翅、頸部和口器等東亞飛蝗體表典型部位的表面微形貌結(jié)構(gòu)較難截留空氣，從而使水滴產(chǎn)生Wenzel接觸狀態(tài)，故呈現(xiàn)相對較小的接觸角。本研究結(jié)果可拓展材料表面潤濕性理論，并能為疏水表面的仿生制備提供理論基礎(chǔ)。

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Wettability measurement and hydrophobicity mechanism analysis of body surface in locust Locusta migratoria manilensis

WANG Lixin

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

To search a bionic prototype for simple fabrication of superhydrophobic surface, the wettability of water droplets on typical parts of body surface in locustLocustamigratoriamanilensisis measured, and micromorphology of these typical parts are detailedly examined with a scanning electron microscope and a scanning white light interferometer. Based on Wenzel model and Cassie-Baxter model, the hydrophobic mechanism of these typical parts is analyzed briefly. Results present that the contact angles of water droplets on these typical parts change obviously, as exhibiting the greatest value of (132.92 ± 4.73)° on internal wings and the smallest value of (119.47 ± 4.32)° on external wings, whereas the neck surface and the mouthpart surface presenting rather similar contact angle values. SEM and SWLI observations show that the surface of external wings distributes ～100 μm scaled ridge-like convexes and nano scaled wax coverings, and the surface of internal wings consists of milli-micro scaled ridge-like convexes and numerous micro-nano scaled mastoids. Both the neck surface and mouthpart surface show undulate structures with milli-micro ranged parameters, whereas present rather smooth micromorphology when examining a rather small area. The surface of internal wings possesses the dual structures consisting of ridge-like convexes and numerous mastoids, thus it makes water droplet to generate the Cassie-Baxter contact state and consequently exhibit great contact angles. Other typical parts of the locust's body surface possess the microstructures to make water droplet to generate the Wenzel contact state and thereby exhibit relatively smaller contact angles. The obtained conclusion can quantitatively describe the wettability of typical parts in locust body surface, as well as provides a theoretical foundation for developing bioinspired materials with hydrophobic properties and self-cleaning abilities.

TB17

A

2017-03-29；

2017-05-11；責(zé)任編輯：馮 民

國家自然科學(xué)基金(51205107)；河北省高等學(xué)校青年拔尖人才資助項目(BJ2017011)

王立新(1981—)，男，山東日照人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事機械仿生學(xué)方面的研究。

E-mail:ck_021@tom.com

王立新.東亞飛蝗體表潤濕性測試及疏水機理分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2017,38(5):411-417.

WANG Lixin.Wettability measurement and hydrophobicity mechanism analysis of body surface in locustLocustamigratoriamanilensis[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(5):411-417.