《Wenzel和Cassie間的雙向轉變及其與流動的耦合行為》是依託杭州師範大學，由由吉春擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Wenzel和Cassie間的雙向轉變及其與流動的耦合行為
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：由吉春
- 依託單位：杭州師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
迄今為止，已有多種方法可以在粗糙表面上實現從Cassie到Wenzel狀態的轉變，但是其逆轉變的實現，仍然是一個巨大的挑戰。本項目旨在通過壓強誘導的方式，在自行設計並搭建的密閉裝置中，實現Wenzel和Cassie之間的雙向轉變。系統研究基底圖案參數、實驗溫度、壓強變化速率等實驗條件對該雙向轉變的影響。為準確檢測液體與基底之間是否存在氣體，本項目首次將微分干涉相差顯微鏡（DICM）引入到材料界面潤濕性研究領域，並將其與液滴形狀分析儀（DSA）相結合，從微觀結構和巨觀性質兩方面準確判定轉變的發生。在上述靜態研究結果的基礎上，引入液體的流動，定量化地考察潤濕性對流動的影響，同時研究流動的介入對潤濕狀態及其臨界轉變條件的影響。通過本項目的研究，理解不同潤濕狀態的本質及其相互轉變機理，實現在靜止和流動液體中對這一轉變的控制，為材料表面改性、相關器件加工等領域提供科學的依據。
結題摘要
眾所周知，液體在粗糙表面的存在形式(Cassie狀態和Wenzel狀態以及二者之間不同程度的過渡態)不僅對超疏水性能的調控效果產生了顯著影響，而且極大程度上改變了材料的其他表面性能。因此，對Wenzel 和Cassie 狀態以及二者之間的相互轉變進行研究，對材料表面性質（如疏水性）的調控具有重大意義。在國家自然科學基金的支持下，本項目系統研究了“取向狀基底（PDMS取向凹槽）”、“陰性基底（帶有凹陷孔洞的AAO模板）”、“陽性基底（凸起的PMMA陣列）”、“多級粗糙基底（POM環帶球晶基底）”上，液滴的靜態接觸角及其揮發規律。研究結果表明，基底圖案參數（例如AAO模板的孔洞深度、孔徑以及環帶結構中的環頻寬度、規整性等因素）對水滴在其上的靜態接觸角產生顯著影響，這其中，基底結構的“深度/寬度”比扮演了重要角色。在此基礎上，我們考察了Wenzel與Cassie之間發生的轉變行為。在取向狀PDMS基底上，首次觀察到了液滴接觸直徑的突然增大和液滴高度的突然降低，解釋了其本質，並將此確定為Cassie-Wenzel轉變的判據。且揮發過程中，液滴的取向狀態消失，總是從橢球狀先收縮成球形，之後再繼續揮發。在“陰”模板和“陽”模板研究中，首次跟蹤到疏水材料揮發過程中“自始至終接觸直徑不變”的揮發模式，並探討了其物理根源。在上述眾多研究的基礎上，總結並闡述了Wenzel與Cassie之間發生轉變的兩種模式，即靜態方式（如AAO模板結構參數的變化導致的雙向轉變）和動態方式（如揮發過程導致的Cassie-Wenzel轉變），闡明了轉變發生的物理本質。基於自行設計並搭建的密閉裝置，以PDMS凹槽基底為例，詳細討論了液滴體積、環境濕度和外界壓強等因素對Cassie-Wenzel轉變的影響規律：例如液滴體積的增加，將推遲轉變的發生；而外界壓強的加大，將促進轉變的儘早發生，給出了出現這一現象的原因：即氣體在對應液滴中的溶解度以及液滴上下界面壓強的不對稱性。在總結上述規律並探討物理本質的基礎上，實現了對轉變及其發生程度和速率的有效控制。我們的研究結果為超疏水（或超親水）表面的構築、控制以及微納米器件表面性質的調控提供了必要的理論指導，並勢必加深我們對表界面相行為本質的理解，具有重要的理論和實踐意義。
