生物表面結(jié)構(gòu)的自清潔機(jī)制

生物表面結(jié)構(gòu)的自清潔機(jī)制

0疏水自清潔仿生表面將成為設(shè)復(fù)建筑區(qū)的主流近年來，具有自清潔性能的生物化學(xué)表面引起了人們的廣泛關(guān)注。在對(duì)動(dòng)植物表面的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界通過在稀疏的表面上形成自清潔功能是非常普遍的。最典型的是以荷葉為代表的植物葉子、竹尾和其他捕食昆蟲的翅膀。疏水自清潔表面與表面的浸潤(rùn)性有關(guān),因此,對(duì)潤(rùn)濕性可控表面和動(dòng)植物表面結(jié)構(gòu)研究的重大進(jìn)步,使得制備自清潔仿生材料表面將成為現(xiàn)實(shí)。隨著科學(xué)手段的不斷進(jìn)步,通過對(duì)動(dòng)植物的表面結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)性的研究,從更微觀的層次師法自然,發(fā)現(xiàn)疏水自清潔仿生表面具有重要的意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。疏水自清潔仿生表面將成為21世紀(jì)材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和前沿。本文介紹了幾種典型的動(dòng)植物表面結(jié)構(gòu)及其浸潤(rùn)性能,疏水自清潔仿生表面結(jié)構(gòu)的制備方法以及該領(lǐng)域的應(yīng)用,并扼要分析了該研究領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。1表面結(jié)構(gòu)的研究對(duì)表面結(jié)構(gòu)的制備和表征自然界中動(dòng)植物的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)各異,作用也不盡相同,這些各具特色的表面結(jié)構(gòu)都是生物在進(jìn)化中適應(yīng)環(huán)境的表現(xiàn),而這些表面結(jié)構(gòu)的研究對(duì)新型功能材料和特殊材料表面結(jié)構(gòu)的制備有著巨大的借鑒意義。許多動(dòng)植物表面具有自清潔性能,這方面的研究對(duì)研制自清潔仿生表面有著很重要的啟示。1.1蔬菜植物孢粉壁的微觀結(jié)構(gòu)植物除了根系以外的其他部位均有表皮,它的微觀結(jié)構(gòu)如毛狀體、表皮搭接及蠟質(zhì)晶體等。多數(shù)植物葉疏水性表面覆蓋著厚1～5μm的蠟質(zhì)晶體,有許多植物葉表面具有毛狀體、或凸包(乳突)形真皮細(xì)胞以及凹陷或突起神經(jīng)組織,這些形態(tài)增強(qiáng)了表面粗糙度從而使這種表面具有疏水性。德國科學(xué)家對(duì)荷葉等2萬種植物葉微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)具有粗糙表面的植物葉都有一定的疏水作用。吉林大學(xué)的王淑杰等通過觀察蔬菜植物孢粉壁的表面結(jié)構(gòu),并選出其中典型的非光滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征描述,從而研究了蔬菜花粉壁非光滑微表面的脫附功能。這一研究不僅豐富了生物脫附理論,而且為發(fā)展仿生自清潔材料提供了理論依據(jù)及有益的信息,因此這種非光滑微結(jié)構(gòu)對(duì)于制備自清潔仿生表面具有重要的借鑒意義?，F(xiàn)將具有微觀粗糙表面的幾種典型植物葉列于表1。荷葉的表面有很多乳突,而每一個(gè)乳突又有納米級(jí)的二次結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使得荷葉表面具有超疏水性和非常小的滾動(dòng)角。蔬菜植物孢粉壁具有4種典型的非光滑結(jié)構(gòu)(如表1所示):網(wǎng)紋型具有清晰的網(wǎng)狀雕紋,網(wǎng)眼大小不等,均勻網(wǎng)眼內(nèi)具有小穿孔或顆粒;網(wǎng)刺型具有刺-網(wǎng)狀雕紋,刺狀突起分布均勻、長(zhǎng)短不等,刺漸尖或鈍尖,也有乳突狀刺;粒紋型表面具有清晰的顆粒狀雕紋,顆粒密度大,分布型外壁表面有單型刺,分布均勻,其上有零星的小穿孔,刺-粒-紋混合型外壁表面有單型刺,分布均勻,刺間具有小顆粒和細(xì)紋狀雕紋。這些微觀非光滑形態(tài)結(jié)構(gòu)顯著地增加了表面的疏水性,使其具有自清潔的功能。此外,外壁具有尖銳刺的野芋、表面具有頭包非光滑結(jié)構(gòu)的旱金蓮花瓣、具有紋鉤槽微結(jié)構(gòu)的菊科花瓣葉等都具有疏水自清潔性能。因此,一些典型的植物葉有著粗糙表面上存在微/納米級(jí)的微突結(jié)構(gòu)以及表面蠟狀物的共同特點(diǎn),由于這種微結(jié)構(gòu)的存在,使得植物葉面具有疏水自清潔特性。1.2特殊的微納米結(jié)構(gòu)目前,對(duì)于生物微觀結(jié)構(gòu)的仿生研究熱點(diǎn)之一集中在動(dòng)物表皮上的有序結(jié)構(gòu)上。通過掃描電子顯微鏡能很清楚地觀察到動(dòng)物表面排列規(guī)整的微刺和微突起狀的結(jié)構(gòu),而通過很多學(xué)者的研究也已經(jīng)證實(shí)動(dòng)物的許多特性與這些微刺狀或微突起狀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。其中典型的事例是許多昆蟲的翅膀被蠟晶體覆蓋,其晶體尺寸與植物的蠟晶體相類似,這種表面已在許多實(shí)驗(yàn)中證明具有不可濕性以及自清潔效應(yīng)?，F(xiàn)將具有微觀粗糙表皮的幾種典型動(dòng)物列于表2,簡(jiǎn)要介紹水黽的毛腿、蝴蝶和蟬的翅膀、水鳥的羽毛以及貂或狐貍的毛。水黽是生活在水上的一種昆蟲,它的腳和后腳特別細(xì)長(zhǎng),長(zhǎng)著許多直徑為微米量級(jí)的細(xì)毛,宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性,這種超疏水特性是其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。蝴蝶的翅膀表面具有微米或亞微米級(jí)槽及其角質(zhì)層,這種結(jié)構(gòu)顯著地提高了翅膀的疏水自清潔性能。蟬的翅膀在光學(xué)顯微鏡下的圖像如圖1所示,觀察結(jié)果表明,該昆蟲的翅膀有許多凸凹不平脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)(如圖1(a),低倍圖像),更微觀的結(jié)構(gòu)顯示有許多微米級(jí)的槽和起伏的丘巒狀細(xì)小結(jié)構(gòu)(如圖1(b),高倍圖像),蟬的翅膀表現(xiàn)為超疏水性,其結(jié)果如圖2所示,它與水的接觸達(dá)到153°,而且滾動(dòng)角非常小。水鳥的羽毛類似海綿或鳥巢的孔狀組織結(jié)構(gòu)的緊密排列,使得水鳥的身體不會(huì)被水潤(rùn)濕。貂或狐貍的毛具有指狀結(jié)構(gòu),排列方式皆為兩排間錯(cuò)開,由于毛發(fā)上的角質(zhì)層以及指狀單元間鉤槽的緊密排列,從而使毛皮不會(huì)被水浸濕。因此,許多典型的動(dòng)物表面具有有序微結(jié)構(gòu)陣列,這些微結(jié)構(gòu)陣列的間隔在200～1000nm之間,而結(jié)構(gòu)單元頂部的圓突起高度一般在150～350nm左右。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)顯示間隔較小的微陣列結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)物表面的抗反射性能和自清潔性能有優(yōu)化作用。因此,對(duì)動(dòng)植物表面微觀結(jié)構(gòu)的研究對(duì)于模仿和制備這些結(jié)構(gòu)從而獲得類似動(dòng)植物的特性有著重要的意義。此外,由于這些微結(jié)構(gòu)本身的外形和有序程度也優(yōu)于目前人工制備的類似結(jié)構(gòu),所以如果能將其作為天然模板來進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)的制備必將為微觀仿生結(jié)構(gòu)的制備創(chuàng)造出一種低成本、高質(zhì)量的途徑。綜上所述,對(duì)于這種表面微結(jié)構(gòu)的仿生研究有著很大的實(shí)際意義。2顆粒表面的細(xì)菌一般來說,自然產(chǎn)生的自清潔表面含有由蠟晶粒組成的疏水面層,疏水動(dòng)植物的表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)導(dǎo)致了它們的自凈能力。在大多數(shù)情況下,污染動(dòng)植物表面的顆粒比那些疏水蠟更易濕潤(rùn),污垢通常都停留在表面結(jié)構(gòu)的末端,以致于顆粒和微結(jié)構(gòu)表面間真正的接觸面積很小。這些顆粒容易被表面滾下來的水滴除掉。在這種情況下,由于顆粒與微表面間的真實(shí)接觸面積較小,顆粒和水滴間的粘附將大于顆粒與微結(jié)構(gòu)表面間的粘附。而在光滑動(dòng)植物表面,污染顆粒和表面間的真實(shí)接觸面積足夠大,以致于顆粒不會(huì)粘附到滾下的水滴。3模成型技術(shù)制備生物表面結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)疏水表面的制備一般采用物理、化學(xué)等方法,一種是在疏水材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu);另一種是在粗糙表面上修飾低表面能的物質(zhì)。從制備的角度來看,疏水表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑大致可以通過以下幾種途徑,如表3所示。對(duì)動(dòng)植物表面結(jié)構(gòu)的研究表明,其共同特征是由微納米結(jié)構(gòu)的乳突和表面蠟狀物組成的粗糙表面能提高其疏水性和自清潔功能。因此,在模仿生物結(jié)構(gòu)制備材料的過程中,尤其在對(duì)生物表面微結(jié)構(gòu)的仿制中,納/微米級(jí)復(fù)模成型技術(shù)直接用生物表面作為天然模板從而制備出具有生物特殊表面結(jié)構(gòu)的材料。這種方法有著模板容易制備、提取方法簡(jiǎn)單、能夠合成納/微米級(jí)表面結(jié)構(gòu)、制備的結(jié)構(gòu)和生物結(jié)構(gòu)高度一致等特點(diǎn),因此引起了人們的高度重視,從而為制備具有疏水性能的自清潔仿生表面開辟了新的途徑。Gorb在對(duì)蜻蜓頭后部微刺區(qū)的研究中采用Spurr樹脂對(duì)該微區(qū)進(jìn)行了復(fù)型,并對(duì)復(fù)型模和復(fù)模進(jìn)行了掃描電鏡觀察,結(jié)果表明該微刺區(qū)的樹脂復(fù)模在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上與原生物樣品基本一致。清華大學(xué)的徐建華等在研究紅豆衫管胞和木本單子葉植物管狀分子內(nèi)壁的超微結(jié)構(gòu)時(shí),利用聚苯乙烯和Mercox樹脂制備了該結(jié)構(gòu)的模型。通過在植物樣品內(nèi)部注射苯乙烯單體和引發(fā)劑,然后加熱使苯乙烯聚合固化的方法制備了植物管狀分子內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的樹脂模型,用顯微鏡觀察到管胞間的緣紋孔三維結(jié)構(gòu)。除了以上的應(yīng)用外,西安交大的喬冠軍等還報(bào)道了以木材結(jié)構(gòu)為模板,通過有機(jī)-無機(jī)轉(zhuǎn)化,制備了具有生物結(jié)構(gòu)的陶瓷材料,對(duì)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。拓模荷葉表面結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步制備具有類荷葉結(jié)構(gòu)材料表面的研究曾有過報(bào)道,對(duì)制備具有類生物表面結(jié)構(gòu)的材料具有重大的指導(dǎo)意義。因此,運(yùn)用納/微米復(fù)模成型技術(shù)來制備類生物的表面有序微結(jié)構(gòu),其主要步驟(如圖3所示)包括基體結(jié)構(gòu)(生物表面微結(jié)構(gòu))的準(zhǔn)備,陰模模具的成型(印模、脫模)和利用陰模模具引導(dǎo)材料成型(轉(zhuǎn)移、剝離)等三步。4其他非清潔仿生產(chǎn)品的應(yīng)用從大自然到仿生為制備疏水自清潔材料提供了一種新的設(shè)計(jì)形貌和結(jié)構(gòu)途徑,從而使得制備出的疏水自清潔仿生材料有著廣泛的應(yīng)用。例如,在玻璃上涂上一層薄的、透明的疏水自清潔仿生材料,使這種玻璃可在雨水的作用下自清潔,而不留下任何痕跡,據(jù)此開發(fā)的仿生產(chǎn)品將具有廣闊的市場(chǎng)前景;還可以用它做成家庭花園桌椅貼面,使桌椅面任憑風(fēng)吹雨打仍舊清潔異新;此外,還可用于紡織、太陽能板、交通標(biāo)牌甚至房上瓦片;再者可以根據(jù)葉表面氣孔的非光滑微結(jié)構(gòu),開發(fā)出各種自潔、透光性好、無液滴的仿生自潔農(nóng)膜,由此帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國內(nèi)外疏水自清潔仿生表面的理論研究已有較多的報(bào)道,疏水自清潔材料在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的產(chǎn)品也越來越普遍,但是要真正制備一種具有自清潔且