單一微米結構的疏水表面之濕潤現象直接觀察與模擬分析

Abstract

本研究試圖了解水滴在具有玫瑰花瓣效應的單一微米尺度結構表面上真正濕潤狀態。在前進角及後退角測量的過程當中同時會使用倒立顯微鏡影像系統對水滴在具有規則結構的疏水表面上進行直接觀察。隨著表面粗糙度增加，一系列濕潤行為的演變；Wenzel基材 → 玫瑰花瓣基材 → 類荷葉基材 → 荷葉基材可以在具有結構的疏水表面上被觀察到。有趣的是，在用埋針法測量前進角的過程中，在玫瑰花瓣基材上會觀察到水滴會有Cassie及Wenzel狀態的前進角。因此玫瑰花瓣基材會有較大的接觸角遲滯(前進角與後退角都在Wenzel狀態)以致於把水滴以Wenzel狀態卡在表面上。水滴在類荷葉基材上的揮發過程會觀察到Cassie與Wenzel狀態的後退角。類荷葉基材有較小的接觸角遲滯(前進角及後退角都是在Cassie狀態)以至於可以讓水滴在表面上很輕易地滑動。 另外我們試圖用Surface Evolver模擬水滴放置在不同表面粗糙度餘弦波紋狀的疏水表面，並用所得到的濕潤狀態試著解釋在玫瑰花瓣及類荷葉基材上只能分別觀察到Cassie及Wenzel狀態的前進角或後退角的實驗結果；然而模擬的結果預測在到達某一個表面粗糙度時，會有Cassie與Wenzel狀態的前進角及後退角出現。因此我們也試著用懸吊揮發法及壓板法分別觀察在研究中的玫瑰花瓣及類荷葉基材上是否存在Cassie狀態的後退角及Wenzel狀態的前進角。最後結果都有顯示這些接觸角濕潤狀態的存在性。同時在模擬中也利用具有介穩Cassie及Wenzel狀態的表面粗糙度表面上介穩Cassie與Wenzel狀態之接觸角相近區間的介穩Cassie狀態之初始條件，並改變水滴底部初始液氣介面埋入深度，發現埋入到一定程度，水滴會轉換成Wenzel狀態。這樣的模擬結果可以幫助解釋在玫瑰花瓣及類荷葉基材上接觸角濕潤狀態的發現。