1.2.1杨氏理论接触角示意图

由杨氏方程可知,通过改变固体表面的化学组成,从而改固体的表面张力（表面能）,可以控制材料表面接触角，达到疏水的目的。但是,通过改变材料表面成分达到提高表面疏水性的途径有其自身局限性的存在，即表面能降低有限。至今为止，世界上表面能最低的物质表面能为6.7mj/m2,其在表面光滑与水之间的接触角仅能达到119°，而无法达到超疏水目的。

1.2.2 Wenzel理论【15】

考虑到实际固体表面并非理想光滑的，通常是粗糙的,当水滴滴到固体表面时会渗透到表面凹槽中,从而导致水滴与固体表面的实际接触面积要杨氏理论中观察到的接触面积，1936年Wenzel在杨氏理论的基础上建立了粗糙表面的液体接触角模型，方程修正为:

cosθr=r(γsv一γsL）/γLv=rcosθ

式中的r是固体的真实接触面积与其表观接触面积之比，定义为粗糙度,θr是粗糙表面的实践接触角:当θ<90°时,θ随着表面粗糙度的增加而降低,表面亲水性提高;(b)θ>90°时,θ随着表面粗糙度的增加而变大,表面变得疏水

1.3 植物叶片的超疏水现象及表面特征

1.3.1荷叶效应【16】

   早在北宋时期就有学者周敦颐提到过“莲之出淤泥而不染”。在自然界中我们也能常常看到当水滴落到荷叶表面时，不会像在C表面一样被吸收或像在粘附在玻璃上面，而是在荷叶上形成一个个水珠。 小水珠滚动时会带走荷叶表面的灰尘，这就是荷叶的超疏水性和自清洁效应【17】。荷叶表面的水滴接触角和滚动角分别为161°和2°【18】,由于极高的接触角和滚动角是的水能够形成滴状，并且轻易的带走其表面的灰尘离开。

   Arthlott【19】等人通过对荷叶表面研究提出：荷叶的超疏水性以及自清洁效应是由其叶面上的微米级结构以及其表面的蜡状物质所引起的。 然而, 在接触角的理论计算中, 荷叶的微纳米结构模型的接触角最大也只能达到147°, 远远小于实际的161°。而后江雷【20】等人进一步研究发现在荷叶表面微米级突起上还存在着更小的特殊纳米级结构，并证明了正是由于微纳米级结构、蜡状晶三者共同作用才产生疏水效应。

   图1.3.1显示了荷叶的原尺寸图片和扫描电子显微镜图像。图a中可以在宏观上明显的观察到水滴在荷叶上收缩成小水滴；而在图b扫描电子显微镜图像中，可以清晰的观察到荷叶表面上微米级的乳突，在这些突起上还存在着许多更小的结构。图b右上角给出了荷叶接触角水滴图。论文网

图1.3.1.（a）为原尺寸图片（b）为扫描电子显微镜图片

1.3.2 水稻叶

自然界中的超疏水现象并非荷叶所独有的，还存在着许许多多的具有超疏水现象的植物叶片，例如水稻叶。当然水稻叶的超疏水现象在自然界中也是比较特殊的:水滴在水稻叶表面接触角为1570【21】，当水滴在水稻叶表面形成球形后,倾向于沿着平行叶脉的方向滚动,而在垂直于叶脉的方向上难以移动(图1.3.2)。SEM研究表明,水稻表面也具有乳突结构，这些微米级凸起上含有一些直径大约为30nm一50nm的针状结构,有利于将空气藏于其中,从而得到表面超疏水性能。但相对于荷叶来说，稻叶上的乳突是沿叶边缘的方向平行、有序排列的,而在垂直方向上则分布无序,这种特殊分布使得水滴在沿叶脉方向的滚动角(3°~5°)比沿叶脉垂直方向的滚动角小(9°~15°)。