基于润湿过渡的玻璃表面亲水微结构的理论设计与制造

杨亮，王志兴，王琦

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

固体表面的润湿性对于基础研究和实际应用至关重要。超亲水表面具有自清洁、防雾、提高表面换热效率的特点，作为一种非常特殊的现象而受到了广泛的关注[1-2]。为了获得亲水表面，在表面设计与制造亲水微结构是物理改性技术的主要研究内容，也是表面制造工程领域的研究热点[3]。设计的微观结构是否亲水一直是研究人员主要关注的问题。一般来说，润湿性是说明液体和固体表面之间亲和力程度的性质，而接触角（CA）是使这一概念量化的参数[4]。超亲水表面是指与水接触角小于5°的表面。

一般来说，表面的化学特性决定了表面张力，因此从严格意义上说也就决定了润湿性，而表面粗糙度允许在一定程度上对其进行修改。基于这些前提，提出了几种理论来解释固体表面的润湿性[5]。其中，粗糙表面的理论主要有Cassie- Baxter 状态模型[6]和Wenzel 状态模型[7]。Cassie-Baxter 状态表明材料表面处于高能状态（通常接触角较大）。相反，Wenzel状态通常处于较低的能量和较小的接触角。尽管能量势垒的存在阻止了自发转变，但已经观察到从亚稳Cassie-Baxter 态到稳定Wenzel 态的润湿转变的存在[8-9]。为了诱导从高能态（Cassie-Baxter）到低能态（Wenzel）的转变，必须施加外部刺激[10-12]，如液滴的压缩、基片的振动、液体的加热、电场的应用或其他外力，使克服能量障碍和触发润湿过渡成为可能[13-19]。当从Cassie-Baxter 状态过渡到Wenzel 状态时，液滴会填充粗糙表面的气孔，并且观察到的表观接触角会减小。……