甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为

吉林大学学报(工学版) ›› 2012, Vol. 42 ›› Issue (增刊1): 428-432.

甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为

孙刚¹, 房岩^1,2, 丛茜², 郭华曦²

1. 长春师范学院生命科学学院,长春 130032;
2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春 130022

收稿日期:2012-03-05 出版日期:2012-09-01 发布日期:2012-09-01
通讯作者: 房岩(1965-),女,教授,博士.研究方向:工程仿生学.E-mail:fangyan124@yahoo.com.cn E-mail:fangyan124@yahoo.com.cn
作者简介:孙刚(1969-),男,教授,博士.研究方向:环境学,仿生学.E-mail:sungang@nenu.edu.cn
基金资助:
吉林大学工程仿生教育部重点实验室开放基金项目(K201004);吉林省科技厅自然科学基金项目(201115162);吉林省教育厅科技计划项目(2008163,2009210,2010373,2011186);吉林省科技发展计划项目(20100187);长春师范学院自然科学基金项目(201020).

Wetting behaviors of methanol/water solution on butterfly wing surface

SUN Gang¹, FANG Yan^1,2, CONG Qian², GUO Hua-xi²

1. School of Life Science, Changchun Normal University, Changchun 130032, China;
2. Key Laboratory for Bionic Engineering, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China

Received:2012-03-05 Online:2012-09-01 Published:2012-09-01

摘要/Abstract

摘要： 使用视频光学接触角测量仪和扫描电子显微镜研究了甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为,根据Cassie方程分析了甲醇对蝴蝶翅表面的润湿机理。结果表明,蝴蝶翅表面具有较强的疏水性(蒸馏水接触角为134.0°～159.2°)和疏甲醇性(45%甲醇溶液接触角为91.3°～128.5°)。甲醇溶液在32种蝴蝶翅表面润湿和铺展的临界体积分数分别为50%和70%。在黄钩蛱蝶(Polygonia c-aureum)翅表面,当甲醇体积分数<45%时,液滴在纳米级结构上的体相力大于表面力,液体填满纳米级缝隙,而在微米级结构上体相力小于表面力,液滴由微米级结构支撑,翅表面不发生润湿;当45%≤甲醇体积分数<65%时,液滴在纳/微米级结构上的体相力均大于表面力,液滴塌陷;当甲醇体积分数≥65%时,翅表面发生润湿,由复合接触转为湿接触。

关键词: 工程仿生学, 蝴蝶, 润湿性, 甲醇, 微/纳米结构, 空气分率

Abstract: The wetting behaviors of methanol/water solution on butterfly wing surface were investigated using a video-based contact angle meter and a scanning electron microscope, and the mechanism of wetting by methanol on butterfly wing surface was discussed by Cassie model. The butterfly wing surfaces display high hydrophobicity (contact angles of distilled water 134.0°～159.2°) and resistant ability against wetting by methanol solution (contact angles of 45% methanol solution 91.3°～128.5°). On wing surfaces of 32 butterfly species tested, the critical concentrations for wetting and spreadingwetting of methanol solution are 50% and 70%, respectively. On wing surface of Polygonia c-aureum, when methanol concentration is lower than 45%, the body force of a droplet is bigger than the surface force on nanometer-structures, liquid fills up the nanometer- grooves; while the body force on micrometer-structures is smaller than the surface force, droplets are upheld by micrometer-structures, wetting does not occur on the wing surface. When 45%≤methanol concentration<65%, the body force of a droplet is bigger than the surface force on both nanometer- and micrometer-structures, droplets collapse. When methanol concentration is increased to 65%, the wing surfaces are wetted, composite contact is transferred to wet contact.

Key words: engineering bionics, butterfly, wettability, methanol, micro-/nano-structure, air fraction

中图分类号:

TB17

孙刚, 房岩, 丛茜, 郭华曦. 甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅表面的润湿行为[J]. 吉林大学学报(工学版), 2012, 42(增刊1): 428-432.

SUN Gang, FANG Yan, CONG Qian, GUO Hua-xi. Wetting behaviors of methanol/water solution on butterfly wing surface[J]. 吉林大学学报(工学版), 2012, 42(增刊1): 428-432.

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