一种蜉蝣稚虫复眼启发的亲水防雾表面阵列结构的制作方法

文档序号:13681154
一种蜉蝣稚虫复眼启发的亲水防雾表面阵列结构的制作方法

本发明涉及一种蜉蝣稚虫复眼启发的亲水防雾表面阵列结构,属于亲水材料制备和防雾表面制备领域。



背景技术:

亲水防雾的原理是当材料表面与水的接触角趋近于0°时,雾滴会在材料表面迅速铺展,形成一层薄薄的水膜,而不是凝结成为水珠,从而减少光的散射,保持材料表面的透过率;同时水膜能够快速地蒸发由于表面的微结构增大了液滴的表面积。

生物在亿万年的进化和自然选择中,为了生存和种族的延续,必须造就出适应环境身体结构和特殊本领。仿生学以自然生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的依据,有意识地进行模仿与复制,已经为解决材料、机械、航空航天等领域的科技难题提供了许多宝贵的思路和方法。目前发现的蚊子、苍蝇复眼疏水防雾表面皆为微纳米复合结构,制备难度大、结构易损坏,不利于大面积生产与应用。

蜉蝣作为世界上最古老的昆虫之一,迄今为止蜉蝣的起源可以推算到两亿年前的石灰纪时期,这一时期比恐龙的出现时期还要早,可以说蜉蝣是现存的进化史最为悠久的有翅昆虫,被生物界称为“研究生物进化的活化石”。蜉蝣一生经历卵、稚虫、亚成虫和成虫4个时期,特别是蜉蝣稚虫常年在静水中攀援、匍匐,或在急流中吸附于石砾下栖息。由生物进化理论可知,为了能够在水生环境中保持清晰的视线,其复眼结构必定得到了充足的优化。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种蜉蝣稚虫复眼启发的亲水防雾表面阵列结构,为材料表面润湿性的研究提供了新思路,该功能表面的尺寸相对简单,十分有利于工业化大面积生产与应用。

图1是1000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,复眼表面上分布着尺寸均匀、有序排列的扁平状椭球阵列,这些扁平状椭球的直径是15um。图2是4000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到扁平状椭球的高度是6um。图3是10000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到扁平状椭球之间类似三角状的间隙以及宽度是1um的通道。图4是60000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到单个扁平状椭球表面是光滑的,不存在纳米结构。

这些尺寸均匀、有序排列的扁平状椭球阵列构成了蜉蝣稚虫复眼表面的亲水结构,由于扁平状椭球表面没有纳米结构的阻碍,在类似三角状的间隙处,雾滴表面上拉普拉斯力和重力的合力始终大于间隙所产生的毛细驱动力,有助于间隙能够源源不断地捕捉扁平状椭球表面的雾滴,并促使这些聚集的雾滴能够快速地蔓延在扁平状椭球之间互相交错的通道中形成一层薄薄的水膜,从而使复眼表面始终保持Wenzel状态达到亲水的效果,同时这层水膜能够快速地蒸发由于扁平状椭球阵列增大了雾滴的表面积,进而达到防雾的目的。所述在表面上加工与蜉蝣稚虫复眼结构三维特征一致或近似的阵列结构,表面可以是超亲水表面、自清洁表面、抗反射表面、机械润滑表面、微流体表面以及应用到更多与材料表面润湿性相关的领域。

其中,在表面上加工复眼阵列结构的加工方法是光刻、激光雕刻、压印、3D打印中的一种。

其中,与蜉蝣稚虫复眼阵列结构一致或近似,指的是表面结构的单元结构与蜉蝣稚虫复眼阵列结构的三维尺寸参数一致,或者是等比例的放大或缩小。

本发明的有益效果是:

1、没有纳米结构的阻碍,雾滴表面上拉普拉斯力和重力的合力始终大于间隙所产生的毛细驱动力,扁平状椭球之间类似三角状的间隙能够源源不断地捕捉扁平状椭球表面的雾滴,同时这些聚集的雾滴能够快速地蔓延在扁平状椭球之间互相交错的通道中,并且雾滴能够快速地蒸发由于扁平状椭球阵列增大了雾滴的表面积,为亲水防雾表面的设计提供了非常好的参考。

2、本发明通过对蜉蝣稚虫复眼阵列结构的仿生研究,为材料表面润湿性的研究提供了新思路,并能应用到更多相关的领域,比如超亲水、自清洁、抗反射、机械润滑、微流体等,在上述系统或结构表面加工与蜉蝣稚虫复眼阵列结构一致或近似的阵列结构,该功能表面的尺寸相对简单,十分有利于工业化大面积生产与应用。

附图说明

图1是本发明1000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片。

图2是本发明4000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片。

图3是本发明10000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片。

图4是本发明60000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片。

1-扁平状椭球的直径,2-扁平状椭球的高度,3-类似三角状的间隙,4-扁平状椭球之间的通道

具体实施方式

图1是1000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,复眼表面上分布着尺寸均匀、有序排列的扁平状椭球阵列,这些扁平状椭球的直径1是15um。

图2是4000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到扁平状椭球的高度2是6um。

图3是10000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到,扁平状椭球之间具有类似三角状的间隙3,扁平状椭球之间的通道4的宽度是1um。

图4是60000倍数下蜉蝣稚虫复眼表面阵列结构的扫描电子显微镜照片,可以看到单个扁平状椭球表面是光滑的,不存在纳米结构。

这些尺寸均匀、有序排列的扁平状椭球阵列构成了蜉蝣稚虫复眼表面的亲水结构,由于扁平状椭球表面没有纳米结构的阻碍,在类似三角状的间隙处,雾滴表面上拉普拉斯力和重力的合力始终大于间隙所产生的毛细驱动力,有助于间隙能够源源不断地捕捉扁平状椭球表面的雾滴,并促使这些聚集的雾滴能够快速地蔓延在扁平状椭球之间互相交错的通道中形成一层薄薄的水膜,从而使复眼表面始终保持Wenzel状态达到亲水的效果,同时这层水膜能够快速地蒸发由于扁平状椭球阵列增大了雾滴的表面积,进而达到防雾的目的。所述在表面上加工与蜉蝣稚虫复眼结构三维特征一致或近似的阵列结构,表面可以是超亲水表面、自清洁表面、抗反射表面、机械润滑表面、微流体表面以及应用到更多与材料表面润湿性相关的领域。

其中,在表面上加工复眼阵列结构的加工方法是光刻、激光雕刻、压印、3D打印中的一种。

其中,与蜉蝣稚虫复眼阵列结构一致或近似,指的是表面结构的单元结构与蜉蝣稚虫复眼阵列结构的三维尺寸参数一致,或者是等比例的放大或缩小。

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