闫德峰，刘子艾，潘维浩，赵丹阳，宋金龙

（大连理工大学，辽宁 大连 116024）

液体在固体表面的铺展能力称为该固体的润湿性，润湿性由固体表面微观结构和化学组成共同决定，常用接触角来衡量[1]。接触角是固-液-气三相交点处的液-气界面切线与固-液两相边界线的夹角，如图1 所示。接触角在0°～90°时，为亲液表面；接触角在90°～180°时，为疏液表面。亲液表面中，接触角小于10°时，为超亲液表面；疏液表面中，接触角大于150°时，为超疏液表面[2]。德国科学家Barthlott[3]通过扫描电子显微镜（SEM）观察荷叶上表面时，发现荷叶上表面的超疏水性是由其表面的微米级乳突结构（图2a）和表面蜡状物共同引起的。江雷等[4]进一步研究发现，该乳突结构表面还存在纳米晶体结构（图2b），这些微纳米结构和表面蜡状物质使荷叶上表面具有超疏水性能。

图1 接触角示意图[2]Fig.1 Schematic diagram of contact angle[2]

图2 荷叶上表面微观形貌Fig.2 Micro-topography of the upper surface of lotus leaf: a) micro-sized mastoid structures[3]; b) nano-sized crystal structures[4]

1 经典润湿性理论

1.1 Young 模型

Young[5]认为液体在理想的光滑固体表面上时，其接触角只与固-气、固-液、液-气界面的表面张力有关（图3a），而理想固体表面的接触角称为本征接触角θY，本征接触角满足Young 方程：

图3 表面润湿性经典理论Fig.3 Classical models of surface wetting: a) Young model; b) Wenzel model; c) Cassie-Baxter model

式中：γSG为固-气界面的表面张力，γSL为固-液界面的表面张力，γLG为液-气界面的表面张力。该公式表明，当γLG为定值时，本征接触角θY随着γSG–γSL值的减小而增大。

1.2 Wenzel 模型

由于实际固体表面并非是理想的光滑表面，其表面通常具有微观粗糙结构（图3b）。因此Wenzel[6]对Young 模型进行修正并提出了Wenzel 模型，此时液滴接触角方程为：

式中：θW为Wenzel 模型下的表观接触角；……