仿生减阻表面的亲油性和疏油性外文翻译资料

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仿生减阻表面的亲油性和疏油性

地址：生物与纳米技术和生物模拟学纳米探针实验室（NLBsup2;），俄亥俄州立大学，201 W. 19th Avenue，Columbus，OH 43210-1142，USA

电子邮件：Bharat Bhushan - Bhushan.2@osu.edu

关键词：水生动物; 生物模拟; 拖动; 莲花植物; 鲨鱼皮;超疏水性 超亲水性

Beilstein J.Naotechnol。 2011，2，66-84。doi：10.3762 / bjnano.2.9

收到：2010年10月01日

接受：2011年1月20日

发布时间：2011年2月1日

本文是专题系列“仿生材料”的一部分。

嘉宾编辑：W. Barthlott和K. Kochcopy;2011 Bhushan; 被许可人Beilstein-Institut。

许可证和条款：请参阅文档结尾。

摘要

人们在新兴的仿生领域模仿生物或自然界来开发具有可靠性能的纳米材料，纳米器件。层次结构的特征范围从宏观尺度到纳米尺度在本质和一些有趣的特性上是非常相似的。有大量的研究对象包括细菌，植物，土地和水生动物以及具有商业利益性质的贝壳。某些植物的叶，如莲花叶，由于分层表面粗糙度和蜡层的存在而被认为是具有超疏水性和自清洁能力。除了自清洁效果，这些表面具有高接触角和低接触角的滞后对于流体流动也表现出低附着力和减阻性。水生动物，如鲨鱼，是另一个来自自然界的减少流体流动阻力的模型。受鲨鱼皮和荷叶启发的人造表面已经被创造出来，本文检验了结构对减阻效率的影响。仿生的疏油表面可以用于防止生物和有机污染物（包括油）污染船舶的水下部分。文章还会检验油滴在实验室中产生的各种超疏油表面上的润湿行为。

引言

模仿自然界生物的设计，改编或派生被称为“仿生学” 这意味着模仿生物或自然。从生命从地球上开始出现计起，自然界已经演化了38亿年。自然界已经利用常见的基础材料塑造出具有从宏观到纳米级的高性能的生物体。对生物功能和探索自然界的进程的理解可以知道我们模仿和生产纳米材料和纳米器件并掌握其工艺流程。有大量的生物体（细菌，植物，土地和水生动物，贝壳等）具有商业利益。

天然超疏水，自清洁，低粘合减阻表面

流体流动的减阻在各行业中具有商业效益。这些包括运输车辆和

基于微/纳流体的生物传感器应用[3]。减少使用的微/纳通道的压降和微/纳流体的体积损失，希望使固液界面的拖曳力最小化。像莲花一样的防水植物就是超疏水、自清洁和低附着力表面的一个模型。由于所谓的乳头状表皮细胞形成乳头状或微结构，所以叶表面非常粗糙。除了微观粗糙度，乳头的表面也粗糙，有三维外角质层蜡，其为长链烃和疏水性组成的纳米级的凹凸。荷叶上的蜡以小管形式存在[10,11]。这些分级结构化表面上的水滴容易地坐在纳米结构的顶点上，因为气泡填充了液滴下面的结构的沟壑（图1a）。因此，这些叶表现出相当的超疏水性。荷叶的静态接触角和接触角滞后分别约为164°和3°[12,13]。当叶片上的水滴滚动时，叶子上的水滴从表面上除去任何污染物颗粒，导致自清洁[5]和低粘合力 [14-16]。

天然超疏油，自清洁和减阻表面

鱼类提供了超亲水性和自洁性的模型表面，这些鱼已被很好地保护，不受油污污染，尽管它们被水润湿[15,17]。鱼鳞具有由扇形鳞片形成的分层结构，其直径为4-5mm，其长度为100-300mu;m，宽度为30-40mu;m的乳头覆盖[18]。作为低阻力表面的自然模型的鲨鱼皮由被称为真皮牙齿（小皮肤牙齿）的非常小的单独的牙齿鳞片覆盖，具有纵向凹槽（平行于水的局部流动方向排列）（图1b）。这些开槽的鳞片减少了光滑表面存在的涡流形成，导致水在其表面上有效移动[2,19-22]。围绕这些复杂结构的水可以防止海洋污染，并在防止海洋生物（如细菌和藻类）的粘附和生长方面发挥作用[11,23]。如果油在空气或水中的表面上存在，表面已知是疏油性的，并且可能表现出自洁和防污性能。许多海洋动物，包括鱼和鲨鱼，已知在水下是疏油的。超疏油表面还可以减少燃料箱和管道中残留燃料的显著损失[15,24]。

粗糙度诱导的超疏水性，自清洁，低附着力和减阻

Jung和Bhushan [21]创造了受荷叶和鲨鱼皮肤启发的人造表面，并研究了结构对降低压力和流体阻力的影响。流体流动有趣的基本属性之一是滑动。实心壁和液体之间的相对速度在固液界面被认为是零，这就是所谓的防滑边界条件（图2左）[25,26]。然而，对于疏水表面，流体膜表现出称为滑移的现象，这意味着固体表面附近的流体速度不等于固体表面的速度（图2，右图）[27-33]。固 - 液界面边界滑移程度的特征在于滑移长度。滑移长度b定义为当沿着界面处的速度分布绘制切线时垂直于界面的轴的垂直截距的长度（图2，右）。表面力装置（SFA）[34-36]，原子力显微镜（AFM）[32,33,37]和粒子图像测速（PIV）[38]技术的最近实验报道了疏水表面的滑移长度。在亲水表面上观察不到滑动[34,36-40]。理论研究[41-44]和实验研究[33,45-47]表明，在固 - 液界面处的纳米气泡的存在是疏水表面上的边界滑移的原因。

粗糙度导致的超亲水性

油和有机液体的表面张力低于水，因此产生超疏油表面，空气中固体表面的表面能应低于油。对于水下应用，如果将油滴放置在水中的固体表面上，则存在固-水-油界面。水中油滴的疏油性/亲油性的性质可以根据各种界面的表面能和水、油在空气中的接触角的值来确定。

通过用极低表面能材料的涂层改性表面化学，已经开发了许多超疏油表面[20,48-54]。Tuteja等[54]表明，表面曲率与化学成分和粗糙纹理相结合，可用于低表面张力的液体，包括烷烃如癸烷和辛烷。Liu 等[18]在固体 - 水 - 油界面进行实验。他们发现亲水和亲油表面（固体 - 空气 - 水界面和固体 - 空气 - 油界面）可以转换为水中的疏油表面（固体 - 水 - 油界面）。因此，当浸入水中时，油污染物被冲走。这种效应可用于海上疏油性和自我清洁，可用于对付海上船舶污染[17]。Jung和Bhushan [20]提出了一种预测表面疏油/亲水性质的模型，并展示了三相界面中的水和油滴如何影响具有不同沥青值的微图案表面的润湿性能以及鲨鱼等水生动物的皮肤复制品。

论文目的

本文检验了仿鲨鱼皮和荷叶的人造表面的数据。然后讨论仿水生动物的疏油和自洁表面。

用于流体阻力减少的生物模拟结构的制造和表征

在本节中，我们将讨论通道中仿生结构表面的减阻效率。

实验技术

对于使用水和空气流的压降测量，设计并制造了具有矩形通道的实验流道，如图3所示[21]。制造的表面用于流动通道的上壁和下壁。两块塑料胶粘在上下样品之间，并在每一端胶合，以防止流失。对于压降的测量，上部样品具有与差示压力计（型号A 1000-13，Differential Pressure Plus Inc.，USA）连接的两个开孔。所得通道的厚度，宽度和长度分别表示为H，W和L。

入口和出口被加工并与塑料管连接。为了在层流中将水引入通道，使用注射泵（型号NE-300，New Era Pump Systems Inc.，USA），流量范围为50mu;L/ s至400mu;L/ s（流速范围在0.03m / s到0.23m / s之间）。注射泵施加的流量的雷诺数小于300，这是层流。为了产生湍流，需要使用注射泵不能实现的更大的流速。为了实现高流体流动，使用填充有测量量的水的单独的塑料室，以允许在重力作用下流过通道。通过测量水的量和从起始液位到最终液位的时间，雷诺数被计算为4200（流速为3.8m / s），这表明流动是使用该设定的湍流。为了使气流实验室出风口连接到通道。使用流量计（型号FL-1478-G，Omega Engineering，Inc.，USA）来测量实验室出气口和通道之间的空气流速。对于空气流量的实验测量，雷诺数的计算范围在200和4600之间，表示层流和湍流[21]。

压降和滑移长度计算模型

通过公式[55]可以计算沿着厚度H，宽度W和长度L的两个点之间的不可压缩流体流的压降Delta;p，其中rho;是流体密度，V是从流量Q

除以通道的横截面面积获得的流速，f是指定推动流过表面或通过通道所需的压力损失的摩擦系数。摩擦系数通常是雷诺数，表面粗糙度和表面几何形状的函数。DH是水流直径，其与流动面积的四倍除以包含流动的表面的周长成比例。对于矩形通道，液压直径为

层流的摩擦系数与雷诺数Re成反比

其中eta;是动态流体粘度。 雷诺数可用于确定流体流动是否处于层流，湍流或过渡流动状态。 由于雷诺数与流速成比例，层流中的压降随着流速的增加而增加。 k是通过泊松方程在横截面上求解的摩擦系数[55]

根据公式5，摩擦系数仅取决于截面的形状，而与表面粗糙度无关。

为了改善矩形通道湍流摩擦系数的计算，Jones [56]开发出改进的当量直径De = 64DH / k，因此湍流的摩擦系数可以修改为

接下来，我们提出一个分析来计算层流中的滑移长度。 使用Navier滑移边界条件，两个无限平行和平滑板的滑移长度b可以表示为[45,55]。

对于矩形通道，滑移长度将具有以下通用形式[45]

其中c是必须经验获得的常数。 为了获得恒定的压力，必须对亲水通道进行压降测量。 然后将方程8拟合为零滑动长度与测量的压降数据，以获得c，并且对于本研究中使用的通道（H = 0.7mm，W = 2.5mm，L = 60mm）等于5。 该方程现在用于计算疏水表面的滑移长度[21]。

仿生结构的制作和表征

鲨鱼（Squalus acanthias，L. Squalidae）被用于创建鲨鱼皮复制品[21]。鲨鱼是一种水生动物，其皮肤永久地暴露于海洋生物（如细菌和藻类）的污染物中。在FAA（甲醛/乙酸/乙醇）溶液中保存鲨鱼。鲨鱼的详细结构因地点而异。鳞片存在于大部分鲨鱼身上。要创建一个副本，选择了鲨鱼身体的正面。在复制保存的鲨鱼皮之前，首先用丙酮清洗所选择的区域，然后用去离子水洗涤。这个过程重复了两次。将清洁的皮肤放置在空气中1小时以进行干燥。对于阴性复制品，通过分配器在鲨鱼皮的上侧施加聚乙烯基硅氧烷牙蜡，并立即用玻璃板压下。在模制品完全硬化（室温3-5分钟）后，分离主表面和模具（阴性）。第一个负片复制品仅用于通过将污物嵌入复制材料中来从鲨鱼表面除去任何残留的污染物。同一地区的第二个和第三个复制品是为了获得没有污染的底片。对于正性复制品，在模塑过程中使用液体环氧树脂。

为了模拟鲨鱼皮肤结构，使用FlashCut数控铣床创建了肋图案表面[21]。 Bechert等人 [57]和Dean和Bhushan [22]已经报道，肋表面的最佳凹槽深度应为低阻力的侧肋间距的大约一半。 在这里选择的肋图案设计中，制造了沿轴线定向的多个肋堆叠。 对于制造，首先在SolidWorks中设计了一个ribpatterned表面的模型，然后使用FeatureCAM写入肋的高度，宽度，间距和长度以及通道尺寸的代码，以便使用CNC铣床制造结构。 将丙烯酸树脂夹在CNC铣床的桌子上，并使用飞刀使表面的顶部平坦。 使用FlashCut CNC打开代码，然后使用130mu;m位的终端铣刀铣削肋图案。

图4a示出了在顶视图，45°倾斜侧视图和45°倾斜角度俯视图中拍摄的鲨鱼皮（Squalus acanthias）复制品的扫描电子显微镜（SEM）显微照片。 鲨鱼皮复制品显示鳞片在末端被提起，每个鳞片上只有三个肋骨。 V形肋的高度在200和500微米之间变化很明显，它们的空间在100和300微米之间变化。 肋条几乎平行于鲨鱼的游泳方向。 图4b示出了作为人造鲨鱼皮肤表面的模型制造的肋图案表面的光学显微镜图像。 所产生的肋的高度，宽度和长度分别为90,38和850mu;m。 肋之间的间隔为180mu;m。

Jung和Bhushan [21]使用纳米级，微型层级结构[12,13]来研究超疏水性，自清洁和低粘附性表面上的减阻效率。使用两步成型工艺（软光刻）制造微结构。使用通过光刻制造的具有14mu;m直径和30mu;m高度以及23mu;m间距的柱的微结构化Si表面作为主模板。通过在表面上通过分配器施加聚乙烯基硅氧烷牙蜡（President Light Body Gel，ISO 4823，聚乙烯基硅氧烷（PLB），Coltene Whaledent，Hamburg，Germany））来产生阴性副本，并立即用玻璃板。在成型体完全硬化（室温3-5分钟）后，分离硅母版表面和模具（阴性）。在模塑材料的松弛时间为30分钟后，用固化剂（Harter S，Nr 236365，Conrad Electronics，Inc。）填充了液体环氧树脂（Epoxydharz L？，No.236349，Conrad Electronics，Hirschau，Germany） Hirschau，德国）。将具有微观结构的样品立即转移到750mTorr（100Pa）压力的真空室中10秒以除去捕获的空气并增加通过结构的树脂渗透。在室温下硬化（22℃24小时）后，将阳性副本与阴性复制品分离。 为了生成几个副本，对于每个表面类型，重复第二步复制二十次。

通过热蒸发沉积的植物蜡的自组装产生纳米结构[1

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