生物表面结构的自清洁机制

生物表面结构的自清洁机制

0疏水自清洁仿生表面将成为设复建筑区的主流近年来，具有自清洁性能的生物化学表面引起了人们的广泛关注。在对动植物表面的研究中，科学家发现自然界通过在稀疏的表面上形成自清洁功能是非常普遍的。最典型的是以荷叶为代表的植物叶子、竹尾和其他捕食昆虫的翅膀。疏水自清洁表面与表面的浸润性有关,因此,对润湿性可控表面和动植物表面结构研究的重大进步,使得制备自清洁仿生材料表面将成为现实。随着科学手段的不断进步,通过对动植物的表面结构浸润性的研究,从更微观的层次师法自然,发现疏水自清洁仿生表面具有重要的意义和潜在的应用价值。疏水自清洁仿生表面将成为21世纪材料科学领域发展的热点和前沿。本文介绍了几种典型的动植物表面结构及其浸润性能,疏水自清洁仿生表面结构的制备方法以及该领域的应用,并扼要分析了该研究领域今后的发展方向。1表面结构的研究对表面结构的制备和表征自然界中动植物的表面结构形态各异,作用也不尽相同,这些各具特色的表面结构都是生物在进化中适应环境的表现,而这些表面结构的研究对新型功能材料和特殊材料表面结构的制备有着巨大的借鉴意义。许多动植物表面具有自清洁性能,这方面的研究对研制自清洁仿生表面有着很重要的启示。1.1蔬菜植物孢粉壁的微观结构植物除了根系以外的其他部位均有表皮,它的微观结构如毛状体、表皮搭接及蜡质晶体等。多数植物叶疏水性表面覆盖着厚1～5μm的蜡质晶体,有许多植物叶表面具有毛状体、或凸包(乳突)形真皮细胞以及凹陷或突起神经组织,这些形态增强了表面粗糙度从而使这种表面具有疏水性。德国科学家对荷叶等2万种植物叶微观结构进行观察,发现具有粗糙表面的植物叶都有一定的疏水作用。吉林大学的王淑杰等通过观察蔬菜植物孢粉壁的表面结构,并选出其中典型的非光滑结构进行特征描述,从而研究了蔬菜花粉壁非光滑微表面的脱附功能。这一研究不仅丰富了生物脱附理论,而且为发展仿生自清洁材料提供了理论依据及有益的信息,因此这种非光滑微结构对于制备自清洁仿生表面具有重要的借鉴意义。现将具有微观粗糙表面的几种典型植物叶列于表1。荷叶的表面有很多乳突,而每一个乳突又有纳米级的二次结构,这种结构使得荷叶表面具有超疏水性和非常小的滚动角。蔬菜植物孢粉壁具有4种典型的非光滑结构(如表1所示):网纹型具有清晰的网状雕纹,网眼大小不等,均匀网眼内具有小穿孔或颗粒;网刺型具有刺-网状雕纹,刺状突起分布均匀、长短不等,刺渐尖或钝尖,也有乳突状刺;粒纹型表面具有清晰的颗粒状雕纹,颗粒密度大,分布型外壁表面有单型刺,分布均匀,其上有零星的小穿孔,刺-粒-纹混合型外壁表面有单型刺,分布均匀,刺间具有小颗粒和细纹状雕纹。这些微观非光滑形态结构显著地增加了表面的疏水性,使其具有自清洁的功能。此外,外壁具有尖锐刺的野芋、表面具有头包非光滑结构的旱金莲花瓣、具有纹钩槽微结构的菊科花瓣叶等都具有疏水自清洁性能。因此,一些典型的植物叶有着粗糙表面上存在微/纳米级的微突结构以及表面蜡状物的共同特点,由于这种微结构的存在,使得植物叶面具有疏水自清洁特性。1.2特殊的微纳米结构目前,对于生物微观结构的仿生研究热点之一集中在动物表皮上的有序结构上。通过扫描电子显微镜能很清楚地观察到动物表面排列规整的微刺和微突起状的结构,而通过很多学者的研究也已经证实动物的许多特性与这些微刺状或微突起状结构有着密切的关系。其中典型的事例是许多昆虫的翅膀被蜡晶体覆盖,其晶体尺寸与植物的蜡晶体相类似,这种表面已在许多实验中证明具有不可湿性以及自清洁效应。现将具有微观粗糙表皮的几种典型动物列于表2,简要介绍水黾的毛腿、蝴蝶和蝉的翅膀、水鸟的羽毛以及貂或狐狸的毛。水黾是生活在水上的一种昆虫,它的脚和后脚特别细长,长着许多直径为微米量级的细毛,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性,这种超疏水特性是其腿部特殊的微纳米结构效应来实现的。蝴蝶的翅膀表面具有微米或亚微米级槽及其角质层,这种结构显著地提高了翅膀的疏水自清洁性能。蝉的翅膀在光学显微镜下的图像如图1所示,观察结果表明,该昆虫的翅膀有许多凸凹不平脊状结构(如图1(a),低倍图像),更微观的结构显示有许多微米级的槽和起伏的丘峦状细小结构(如图1(b),高倍图像),蝉的翅膀表现为超疏水性,其结果如图2所示,它与水的接触达到153°,而且滚动角非常小。水鸟的羽毛类似海绵或鸟巢的孔状组织结构的紧密排列,使得水鸟的身体不会被水润湿。貂或狐狸的毛具有指状结构,排列方式皆为两排间错开,由于毛发上的角质层以及指状单元间钩槽的紧密排列,从而使毛皮不会被水浸湿。因此,许多典型的动物表面具有有序微结构阵列,这些微结构阵列的间隔在200～1000nm之间,而结构单元顶部的圆突起高度一般在150～350nm左右。进一步的实验显示间隔较小的微阵列结构对于动物表面的抗反射性能和自清洁性能有优化作用。因此,对动植物表面微观结构的研究对于模仿和制备这些结构从而获得类似动植物的特性有着重要的意义。此外,由于这些微结构本身的外形和有序程度也优于目前人工制备的类似结构,所以如果能将其作为天然模板来进行仿生结构的制备必将为微观仿生结构的制备创造出一种低成本、高质量的途径。综上所述,对于这种表面微结构的仿生研究有着很大的实际意义。2颗粒表面的细菌一般来说,自然产生的自清洁表面含有由蜡晶粒组成的疏水面层,疏水动植物的表面结构性质导致了它们的自净能力。在大多数情况下,污染动植物表面的颗粒比那些疏水蜡更易湿润,污垢通常都停留在表面结构的末端,以致于颗粒和微结构表面间真正的接触面积很小。这些颗粒容易被表面滚下来的水滴除掉。在这种情况下,由于颗粒与微表面间的真实接触面积较小,颗粒和水滴间的粘附将大于颗粒与微结构表面间的粘附。而在光滑动植物表面,污染颗粒和表面间的真实接触面积足够大,以致于颗粒不会粘附到滚下的水滴。3模成型技术制备生物表面结构传统疏水表面的制备一般采用物理、化学等方法,一种是在疏水材料表面构建粗糙结构;另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。从制备的角度来看,疏水表面结构的构筑大致可以通过以下几种途径,如表3所示。对动植物表面结构的研究表明,其共同特征是由微纳米结构的乳突和表面蜡状物组成的粗糙表面能提高其疏水性和自清洁功能。因此,在模仿生物结构制备材料的过程中,尤其在对生物表面微结构的仿制中,纳/微米级复模成型技术直接用生物表面作为天然模板从而制备出具有生物特殊表面结构的材料。这种方法有着模板容易制备、提取方法简单、能够合成纳/微米级表面结构、制备的结构和生物结构高度一致等特点,因此引起了人们的高度重视,从而为制备具有疏水性能的自清洁仿生表面开辟了新的途径。Gorb在对蜻蜓头后部微刺区的研究中采用Spurr树脂对该微区进行了复型,并对复型模和复模进行了扫描电镜观察,结果表明该微刺区的树脂复模在形态和结构上与原生物样品基本一致。清华大学的徐建华等在研究红豆衫管胞和木本单子叶植物管状分子内壁的超微结构时,利用聚苯乙烯和Mercox树脂制备了该结构的模型。通过在植物样品内部注射苯乙烯单体和引发剂,然后加热使苯乙烯聚合固化的方法制备了植物管状分子内壁结构的树脂模型,用显微镜观察到管胞间的缘纹孔三维结构。除了以上的应用外,西安交大的乔冠军等还报道了以木材结构为模板,通过有机-无机转化,制备了具有生物结构的陶瓷材料,对材料的结构设计提供了新思路。拓模荷叶表面结构并进一步制备具有类荷叶结构材料表面的研究曾有过报道,对制备具有类生物表面结构的材料具有重大的指导意义。因此,运用纳/微米复模成型技术来制备类生物的表面有序微结构,其主要步骤(如图3所示)包括基体结构(生物表面微结构)的准备,阴模模具的成型(印模、脱模)和利用阴模模具引导材料成型(转移、剥离)等三步。4其他非清洁仿生产品的应用从大自然到仿生为制备疏水自清洁材料提供了一种新的设计形貌和结构途径,从而使得制备出的疏水自清洁仿生材料有着广泛的应用。例如,在玻璃上涂上一层薄的、透明的疏水自清洁仿生材料,使这种玻璃可在雨水的作用下自清洁,而不留下任何痕迹,据此开发的仿生产品将具有广阔的市场前景;还可以用它做成家庭花园桌椅贴面,使桌椅面任凭风吹雨打仍旧清洁异新;此外,还可用于纺织、太阳能板、交通标牌甚至房上瓦片;再者可以根据叶表面气孔的非光滑微结构,开发出各种自洁、透光性好、无液滴的仿生自洁农膜,由此带来巨大的经济效益和社会效益。国内外疏水自清洁仿生表面的理论研究已有较多的报道,疏水自清洁材料在现实应用的产品也越来越普遍,但是要真正制备一种具有自清洁且