荷葉表面微觀結構的探究及超疏水銅的制備和表征

杜欣源

（山東省東營市勝利第二中學，山東東營 257000）

荷葉表面微觀結構的探究及超疏水銅的制備和表征

杜欣源

（山東省東營市勝利第二中學，山東東營 257000）

采用光學顯微鏡和原子力顯微鏡對荷葉結構進行觀測，了解荷葉的微觀結構及超疏水的原因。采用簡單便捷的方法制備出了具有不同黏附性能的超疏水表面。通過控制氨氣對金屬銅表面的腐蝕時間，制備了超疏水表面銅。利用低表面能氟硅烷修飾后，表面表現出超疏水特性，接觸角均大于100°。

超疏水表面；黏附性能；氨氣腐蝕

1 研究背景

近年來，超疏水表面由于其獨特的疏水特性及自清潔、抗腐蝕、油水分離、抗輻射等廣泛的應用背景而日益成為研究的熱點。在對超疏水表面的研究過程中發(fā)現，在不同的表面上的液滴具有不同的動態(tài)行為。自然界中的荷葉、水稻、蝴蝶等超疏水表面上，水滴不但具有較高的接觸角，而且極易滾動，這是因為荷葉表面除了一層蠟質之外，同時存在很多納米級的周期性凹凸結構。進一步放大，發(fā)現這些凹凸結構由更多的納米級亞結構構成，從而達到自清潔效果。這些奇特的現象引起了研究者極大興趣，并對超疏水表面的黏附性開展了大量的研究。

因此，通過控制表面的微觀結構或者化學組成，即可實現對超疏水表面黏附性能的有效控制。銅作為普通金屬材料，在建筑、航空、汽車、電子等領域都有廣泛的應用，所以本實驗選擇銅片作為研究材料。目前已有多種方法可實現銅超疏水表面的制備，主要有濕化學刻蝕法、氧化法、電沉積法和浸泡法等方法。但都存在制備過程過于復雜或需要昂貴的實驗藥品等問題，因此，尋找一種既簡單又便捷的方法來制備具有不同黏附性能的超疏水表面成為新的研究目標。

盡管對荷葉結構的研究已經有很多報道，但是利用光學顯微鏡和原子力顯微鏡進行結構對比研究還未見報道，因此本課題首先測試了新鮮荷葉表面對水的接觸角，然后對荷葉的微觀結構進行了探究，并與常見植物綠蘿葉子的結構進行了對比。在此基礎上嘗試通過控制氨氣對金屬銅表面的腐蝕時間，以制備出微納米級結構的表面，并對所得表面的疏水性質進行研究。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

新鮮荷葉（采自公園）、銅箔、氨水、乙醇、丙酮和鹽酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）、氟硅烷、去離子水；JC200D1 型接觸角測量儀、原子力顯微鏡、光學顯微鏡。

2.2實驗過程

2.2.1 接觸角的測試

采用接觸角測量儀對樣品的接觸角進行測試，接觸角測量所用液滴體積為2μL。步驟如下：將微量進樣器加滿水，固定在接觸角測量儀上。調整好儀器的高度與光亮。將待測植物葉片壓平，放到測量儀平面。轉動旋鈕，使微量進樣器尖部轉出1μL水。轉動底座旋鈕調整測量儀平面高度，讓待測物質與水接觸，立刻凍結圖像。根據圖像定點在電腦上計算出接觸角，分析結果。

2.2.2 顯微鏡觀測

取一小片平整的荷葉，剝出它的表層。（銅片則直接進行測試）將待測物分別放在光學顯微鏡/原子力顯微鏡測試臺上，測試其表面結構。

2.2.3 超疏水銅片結構的制備

取1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷0.5g，乙醇62.7mL，去離子水19.3mL配成溶液，存于廣口瓶，陰涼處放置。以待實驗后續(xù)使用。

將銅箔首先分別在丙酮及乙醇溶液中超聲清洗15min，然后置于濃鹽酸溶液中除去表面氧化層，再用去離子水清洗。將干凈的銅箔覆蓋在含有氨水的培養(yǎng)皿上，使氨水溶液液面與銅箔表面間距離約為1cm。控制反應時間，反應后將銅箔取下并浸泡于含氟硅烷的乙醇溶液中10h，最后將樣品取出，用乙醇清洗并用氮氣吹干。

3 結果與討論

3.1 荷葉與綠蘿的接觸角測試

利用接觸角測量儀測量的水滴與荷葉的接觸角，顯示測量結果為133.85°，可見，荷葉屬于疏水結構。為了對比研究，還對綠蘿做出了同樣的測試，結果顯示水滴與綠蘿的接觸角為37.73°，遠比與荷葉的接觸角度小，根據數據可知，綠蘿屬于親水植物。

3.2 荷葉與綠蘿的微觀結構分析

由光學顯微鏡圖像可知，荷葉表面確實存在很多微米級的周期性凹凸結構。進一步利用原子力顯微鏡放大測試，發(fā)現這些凹凸結構由更多的納米級亞結構構成，這種獨特結構使水和污染物不容易粘附在荷葉表面，從而具有自清潔效果。對比荷葉結構，我們發(fā)現具有親水性的綠蘿表面確實很平滑。進一步證明表面的微納米結構是荷葉具有疏水性的主要原因。

3.3 疏水銅表面結構分析

由前面的實驗結構可以看出，通過控制表面的微觀結構，即可實現對超疏水表面黏附性能的有效控制。考慮到銅片的廉價易得和廣泛用處，本實驗選擇了銅片作為研究對象。

在本實驗中，氨水溶液可通過揮發(fā)與上面的銅箔發(fā)生如下反應，生成Cu（OH）2

本實驗通過控制氨水腐蝕銅片時間研究表面形貌的變化，所用時間長短有所區(qū)別。本實驗分兩組進行，控制變量，在硫酸中浸泡1h后分別用氨水腐蝕14h和用氨水腐蝕72h。腐蝕之后分別用接觸角測量儀測量其接觸角大小。

3.4 接觸角測量分析

表1是不同腐蝕時間所得到的銅表面的接觸角統(tǒng)計結果。由表1可以看出，未經任何處理的平滑銅片表面能較高，易吸附水滴，水滴與表面間接觸角約為64.972 5°，表面呈親水性。

Study on Microstructure of Lotus Leaf Surface and Preparation and Characterization of Super-Hydrophobic

Du Xin-yuan

The structure of lotus leaf was observed by optical microscope and atomic force microscope（AFM），and the microstructure and superhydrophobic reason of lotus leaf were studied.A super-hydrophobic surface with different adhesion properties was prepared by simple and convenient method.The super-hydrophobic surface copper was prepared by controlling the corrosion time of ammonia on the copper surface.After modification with low surface energy fluorosilanes，the surface showed superhydrophobic properties with contact angles greater than 100 °.

superhydrophobic surface；adhesion；ammonia corrosion

TG174.4

B

1003–6490（2016）10–0071–02

2016–09–11

杜欣源（1999—），男，山東冠縣人，現為東營市勝利第二中學學生，主要從事實驗室物理實驗和新材料技術工作。