荷叶效应 刘双平 俞熹 2009/3/10.

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1 荷叶效应 刘双平 俞熹 2009/3/10

2 什么是荷叶效应(Lotus Effect)
强烈的疏水性（超疏水性，super-hydrophobicity） 自清洁效应（Self-cleaning）

3 荷叶的表面形貌 荷叶的SEM照片 W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta (1997) 202: 1-8

4 超疏水性 M. Nosonovsky, B. Bhushan, J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008)

5 超疏水性 定义：表面对水的接触角大于150° 对动态超疏水性的两个判据： 非常高的接触角 非常小的滚动角 *

6 自清洁效应 H. J. Lee; S. Michielsen, Journal of the Textile Institute,97:5,455 —462

7 关于荷叶（理论分析） Wenzel 模型:液滴将表面的凹凸沟壑部分填满
Cassie &Baxter 模型:在液滴与表面接触处形成气液固三相接触 Wenzel 模型 C&B 模型 H. J. Lee; S. Michielsen, Journal of the Textile Institute,97:5,455 —462

8 荷叶效应的定性半定量研究 测量超疏水表面水滴的接触角 对自清洁效应的定性研究

9 接触角的测量

10 实验装置示意图

11 接触角的定义

12 超疏水涂料 标称对水接触角160°，滚动角3°（购自上海市叶香枫环保科技发展有限公司 ）；适用于木材表面
涂料形态：淡黄色；有刺激性气味；有泡沫

13 液滴大小 接触角的定义 重力因素的影响 液滴挥发速度的影响 经验证明：0.5~5uL左右

14 镜头选取 要求：放大倍数较高，焦距短 镜头：取自YM-II型CCD杨氏模量测量仪（北京大学实创新技术公司）
相机：Canon IXUS-75（有效像素710万，3倍光学变焦，4倍数码变焦）

15 光源问题 普通实验室光源： 靠近表面的边缘极不清楚 液体的颜色分层，难以用软件处理

16 光源问题 LED光源 边缘非常清晰 倒影可以判断表面位置

17 实验结果与分析 数据分析流程图： RGB图像 灰度图像 边缘检测 求解接触角 拟合计算

18 实验结果与分析

19 实验结果与分析 拟合流程图 逐步求精 Runge-Kutta 参数初值 参数1 参数2 参数2 最优解 Newton-Raphson

20 实验结果与分析 实验结果：

21 实验结果与分析 实验结果：

22 实验结果与分析 符合程度非常高 接触角可以直接从微分方程组的解中读出 结合照片的放大率可以预言液滴的一些性质
缺点 1：未采用任何优化算法，运算速度较慢 缺点 2：仍然需要手工去噪，无法做到全自动

23 液滴大小与接触角的关系

24 液滴大小与接触角的关系 液滴的大小会影响到接触角 移液器的影响
不同大小的液滴可能导致液滴在表面形成时更倾向于不同的亚稳态（Wenzel态或C&B态）

25 自清洁效应的定性研究

26 定量研究的困难 木板表面不够均匀，液滴的轨迹无法预测和控制 颗粒的分布难以控制 一些必要仪器的缺少

27 Wenzel模式和C&B模式 先滴后斜：滚动角约30°；Wenzel 模式 先斜后滴：滚动角约5° ；Cassie & Baxter 模式

28 定性研究（高速摄像） 影片 杂质的运动 液滴的形态

29 定性研究（照片） 影片1 影片2

30 定性研究（大颗粒杂质）

31 荷叶效应的科学前沿 SEM image of a nanoturf surface made by the black silicon method [24]. The inset shows the apparent contact angle of water droplet (i.e., 180) on the nanoturf surface after the hydrophobic coating with Teflon. Effect of Nanoturf Choi and Kim, PRL 96, (2006)

32 谢 谢！

33 欢迎提问

34 小结 用MATLAB成功地拟合了液滴的轮廓并较为准确地测量了接触角，这是一种比较容易实现且精度较高的方法
比较粗糙地研究了不同实验条件下滚动角的变化，初步了解了Wenzel模式和C&B模式的形成条件 定性地探究了自清洁效应的相关特性

35 水平调节 为什么要调节水平：液滴的形态；成像的准确性；调节方便 超疏水平面的水平调节：三支脚平面 成像组的水平调节：类似于调节分光镜的二分法

36 实验结果与分析 Young-Laplace方程对于轴对称液滴的微分方程组形式：