[论文解读] Quantitative testing of robustness on super-omniphobic surfaces by drop impact

Thi Phuong Nhung Nguyen, Philippe Brunet+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2010

Surface Modification and Superhydrophobicity被引用 7

一句话总结

本研究通过液滴撞击实验，首次对超全氟憎液硅纳米线（SiNW）表面的耐久性进行了定量测量。研究结果表明，平坦硅表面的杨氏接触角（θ₀）越高，其抵抗液体渗入的耐久性呈指数增长；而呈对角线取向的纳米线显著增强了对渗入的抵抗能力，尤其在低表面张力液体中表现更优。

ABSTRACT

The quality of a liquid-repellent surface is quantified by both the apparent contact angle $θ_0$ that a sessile drop adopts on it, and the value of the liquid pressure threshold the surface can withstand without being impaled by the liquid, hence keeping a low-friction condition. We designed surfaces covered with nano-wires obtained by the vapor-liquid-solid (VLS) growth technique, that are able to repel most of the existing non-polar liquids including those of very low surface tension, as well as many polar liquids of moderate to high surface tension. These super-omniphobic surfaces exhibit apparent contact angles ranging from 125 to 160$^{\circ}$ depending on the liquid. We tested the robustness of the surfaces against impalement by carrying out drop impact experiments. Our results show how this robustness depends on the Young's contact angle $θ_0$ related to the surface tension of the liquid, and that the orientational growth of NWs is a favorable factor for robustness.

研究动机与目标

• 定量评估超全氟憎液表面在动态撞击条件下抵抗液体渗入的耐久性。
• 研究光滑表面上的杨氏接触角（θ₀）如何影响渗入的临界压力阈值。
• 评估纳米线取向与表面纹理在增强低表面张力液体抵抗渗入能力方面的作用。
• 比较两种不同纳米线生长特性的SiNW表面类型（VLS1与VLS2）的性能表现。
• 确定在无外部撞击条件下发生自发渗入的临界θ₀阈值。

提出的方法

• 采用气相-液相-固相（VLS）生长法制造超全氟憎液表面，形成垂直与对角线取向的硅纳米线（SiNW），并涂覆氟化聚合物以降低表面能。
• 在这些表面上开展液滴撞击实验，使用一系列表面张力（γ）和对应杨氏接触角（θ₀）各异的液体。
• 将临界渗入压力阈值（Pc）定义为液滴在穿透纳米线结构前可承受的最大压力。
• 利用Cassie-Baxter与Wenzel模型解释润湿状态，其中公式（1）描述了表观接触角与表面覆盖率及θ₀的关系。
• 分析Cassie-Baxter态与Wenzel态之间的能垒，以解释非润湿态的亚稳态特性。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）观察液滴在纳米线上的位置，确认处于Cassie-Baxter态。

实验结果

研究问题

• RQ1 光滑表面上的杨氏接触角（θ₀）如何影响超全氟憎液表面抵抗液体渗入的耐久性？
• RQ2 在何种θ₀临界值以下，液体将自发渗入表面纹理而无需外部撞击？
• RQ3 纳米线取向（垂直 vs. 对角线生长）如何影响渗入的临界压力阈值（Pc）？
• RQ4 表面粗糙度与结构无序性在增强耐久性方面起到多大程度的贡献？
• RQ5 液滴撞击实验能否为超全氟憎液表面的耐久性提供可靠且定量的测量方法？

主要发现

• 临界渗入压力（Pc）随杨氏接触角（θ₀）的增加呈指数增长，表明更高的θ₀可显著提升耐久性。
• 当θ₀ < 60°时，Pc降至零，表明液体在无外部撞击下即发生自发渗入。
• VLS2表面（对角线取向纳米线）的耐久性优于VLS1表面（更垂直的纳米线）。
• 本研究证实，直线垂直排列的纳米线并不能实现最大耐久性；相反，纳米线生长具有有限倾角时，可显著增强抵抗渗入的能力。
• 耐久性与亚稳态的Cassie-Baxter态密切相关，其有限的能垒可防止自发转变为Wenzel态。
• 液滴撞击实验在测量Pc方面比蒸发诱导渗入更可靠，原因在于接触角滞后极低（1–2°），导致液滴极易滚落。