[发明专利]超疏水表面微结构的逆向设计方法

说明书

本发明公开了一种超疏水表面微结构的逆向设计方法，包括：超疏水固体表面微结构的粗糙度通常都是周期性分布的，将超疏水固体表面微结构的周期性分布划分成3种周期性单元，将这三种周期性单元根据它们的对称性简化为三种不同的三角形，将固体表面的微结构的构型设计可通过三角区域进行，进而周期性的微结构可以通过对称和拉伸操作得到，在平衡状态下，由周期性微结构支撑的液汽界面是具有常值黎曼曲率的二维流形，液汽界面可在简化的三角区域上由Young‑Laplace方程描述。本发明通过对粗糙固体表面上微结构支撑的液汽界面的建模，计算与凸起体积的极小值对应的周期微结构的几何构型，以实现超疏水表面微结构的逆向设计。

技术领域

本发明涉及超疏水粗糙表面上的周期微结构的几何构型设计技术领域，特别涉及一种超疏水表面微结构的逆向设计方法。

背景技术

润湿是表面化学的一个重要方面，而且固体表面的润湿能力可以按疏水性，亲水性，疏油性，亲油性，双疏性和双亲性进行分类。在具有特殊润湿能力的人工表面结构的研究中，最新的成果主要是针对超疏水性的。超疏水性是指，在超疏水性的固体基片上水的接触角可以达到150°甚至更高。

对于一个平整的平面，润湿能力是由固体表面自由能决定的，该类润湿现象可采用如图1a所示的Young模型描述；在带有周期微结构的粗糙平面上，固体与液体的接触可采用两种不同的模型描述，分别是如图1b、1c所示的，Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。在Wenzel模型中，液体完全填充了粗糙平面上的微结构，粗糙表面的疏水性会随着表面粗糙度的增加而增加；如图1c所示在Cassie-Baxter模型中，蒸汽囊会被束缚在微结构之中，此时粗糙表面相当于一个固体和气体的复合表面，如图2所示，粗糙表面的疏水性也会随着表面粗糙度的增加而增加。

对于粗糙的固体表面，当其上的液体压强增大时，固体和液体的接触模型可以从Cassie-Baxter型转变为Wenzel型。在这个模型转变过程中，液体填满粗糙表面的微结构并导致疏水性的降低。在Cassie-Baxter模型中，蒸汽囊会导致液体和蒸汽的界面的存在，界面由固体表面的微结构支撑。由于接触角的滞后性，三相接触线可以被锚定在微结构的顶面和侧壁形成的交角处。如果微结构支撑的液汽界面两侧的静压差足够大，液汽界面和微结构的壁面之间的接触角会达到其临界值，进而液汽界面发生破坏，并导致Cassie-Baxter模型向Wenzel模型的转变。当接触角趋近临界值时Cassie-Baxter模型的稳定性会减弱；同时，微结构支撑的液汽界面也会下沉，被液汽界面所支撑的液体凸起也会变得更大。因此，粗糙固体表面上合理的微结构能够有效的避免Cassie-Baxter模型的转变，并且可以通过减小液汽界面的凸起体积增加超疏水表面的稳定性，并使得液汽界面的接触角远离其临界值。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种通过对粗糙固体表面上微结构支撑的液汽界面的建模，计算与凸起体积的极小值对应的周期微结构的几何构型，以实现超疏水表面微结构的逆向设计。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：提供一种超疏水表面微结构的逆向设计方法，其特征在于，包括：

超疏水固体表面微结构的粗糙度都是周期性分布的，将超疏水固体表面微结构的周期性分布划分成：正三角形，正四边形，正六边形共3种周期性单元，将这三种周期性单元根据它们的对称性简化为三种不同的三角形，将固体表面的微结构的构型设计通过三角区域进行，进而周期性的微结构通过对称和拉伸操作得到，在平衡状态下，由周期性微结构支撑的液汽界面是具有常值黎曼曲率的二维流形，液汽界面在简化的三角区域上由Young-Laplace方程描述：

在Ω内

在Γ_N上(1)

z＝0，在O处