[發明專利]基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法

有效

• 申請號: 202011352578.5
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112487635B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 馬志超;杜海瑞;趙晟騰;江月;柳克祥;樸虎林;李偉智;佟帥;趙宏偉;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B82Y30/00;G06F119/14
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發明涉及一種基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，屬于微納結構功能表面設計與制備技術領域。根據疏水表面結構特征，構建單一表面陣列結構，結合Wenzel與Cassie模型計算該表面結構的接觸角。構建具有相同參數的不同單一陣列結構，比較各結構模型的接觸角大小，根據接觸角大小構建結構序列，微調結構參數再構建結構序列形成連續的梯度復合陣列結構。在單一結構上安裝納米加熱片，設定不同的溫度值形成溫度梯度，在結構梯度和溫度梯度的耦合下，由于表面張力的變化，液滴從接觸角大的表面自發的向接觸角小的表面移動。馬蘭戈尼效應引起的表面張力差異促使液滴定向移動與自動滾落，從而實現自潔特性。

技術領域

本發明涉及微納結構功能表面設計與制備技術領域，特別涉及一種基于馬蘭戈尼效應的仿生梯度超疏水結構設計方法，是一種設計梯度結構以實現液滴在固體結構表面定向移動與自動滾落的表面結構設計方法，適用于防止液滴中的物質吸附在固體表面，并擁有自潔特性的微結構的設計分析。

背景技術

現代生活中許多裝置或設備因為工作要求需要部分或者全部處在液體環境中，而液體中常常含有各種物質，有些物質會與這些裝置或設備發生化學反應，有些物質會吸附在這些裝置或設備表面從而對其工作產生影響甚至發生破壞。因此我們需要對這些固體表面進行改進以提高設備工作效率，滿足我們不斷提升的要求和對設備的性能需要。特別地，現在心臟瓣膜疾病的發病率越來越高，更換人工瓣膜作為一項高效的方法已經被大量使用，但是因為生物相容性的現實存在，血液中的不溶性纖維蛋白、積聚的的白細胞、血小板等物質吸附在人工瓣膜表面，形成血栓影響人工瓣膜正常工作，因此迫切的需要研究新的人工瓣膜結構以防止血栓的形成與吸附在其上的物質的及時移除。

通過目前的技術手段制備的疏水表面存在著表面液滴的動態行為不可控，無法有效地實現液滴定向移動與自動滾落從而表面自潔的問題，也存在著表面結構穩定性差，難以長期正常工作的問題。

自然界中的生物為了生存和發展的需要，經過億萬年的進化，已經可以為我們提供十分滿意的結構與材料來實現各種功能。由于自然界中存在許多超疏水表面，研究人員對這些自然超疏水表面進行表征觀察與仿生制備，已經得到了許多令人滿意的結構性表面。當然這離不開Wenzel于1936年提出的Wenzel理論與Cassie和Baxer在1944年提出的Cassie超疏水模型與理論。Wenzel提出液滴與固體表面的接觸不可忽視粗糙度的影響，粗糙表面的存在使得固-液實際接觸面積大于表觀幾何上觀察到的面積；而Cassie提出一種新的模型，他認為在粗糙表面的接觸是一種復合接觸，即疏水表面上的液滴不能完全浸入固體結構表面，在液滴與固體表面之間有空氣的存在。并且從表面自由能的角度得出模型接觸角公式：

在Wenzel狀態下的表觀接觸角θ_w的余弦值cosθ_w：

cosθ_w＝r×cosθ_e

在Cassie狀態下的表觀接觸角θ_c的余弦值cosθ_c：

cosθ_c＝f×(1+cosθ_e)-1

其中θ_e為液滴在固體表面的本征接觸角，r為粗糙度因子，f為復合接觸面中固體的面積分數。

由于表面張力不同的二種液體的界面存在表面張力梯度，而使質量傳送的現象，稱為馬蘭戈尼效應。出現馬蘭戈尼效應的原因是表面張力大的液體對其周圍表面張力小的液體的拉力強，產生表面張力梯度，使液體從表面張力低向張力高的方向流動。

發明內容