荷叶样本采于吉林省长春市南湖公园; 化学试剂酸(H₂SO₄)、碱(NaOH)、乙醇(C₂H₅OH)和丙酮(C₃H₆O)由天津化学试剂有限公司生产; 采用德国KRÜ SS公司ASD100型表面物性分析系统测量荷叶表面的接触角; 用日本SONY公司S-3400型扫描电镜(SEM)分析荷叶表面的微观形貌和结构; 用美国FEI公司XL-30场发射环境扫描电镜(ESEM-FEG)观测荷叶表面蜡晶形貌。

选择表面无大叶脉的鲜荷叶, 剪裁成若干3 cm× 3 cm的正方形样本, 贴于载玻片上, 分别测量其叶表正面的接触角。液滴体积为7 μ l, 对每个样本, 挑选不同部位测量5次, 取其平均值作为测量结果。荷叶样本经真空和喷金处理后, 在扫描电镜下观测乳突形貌结构; 在场发射环境扫描电镜下观测叶表蜡晶形貌和分布变化情况。经预试验后在酸、碱、乙醇和丙酮中浸泡处理时间如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 荷叶在几种不同溶液中的浸泡处理时间 Table 1 Soaking time of the lotus leaves in the solutions with different pH values 溶液名称(pH值) 浸泡时间/h 浓度/(mol· L-1) H2SO4(pH=3, 5) 0~80 1 NaOH(pH=9, 11) 0~80 1 C2H5OH 0~4 1 C3H6O 0~4 1

表1 荷叶在几种不同溶液中的浸泡处理时间 Table 1 Soaking time of the lotus leaves in the solutions with different pH values

将荷叶样本取出用清水冲洗阴干后, 按如上方法重新测量接触角并观测其表面微观形貌。

测得未经溶液浸泡处理鲜荷叶的正面接触角为156° 。荷叶经酸、碱溶液和乙醇、丙酮溶液浸泡处理后与水滴的接触角随时间变化情况如图1(a)(b)所示。荷叶样本表面浸泡前后的微观形貌变化情况如图2所示。

图1

Fig.1

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	图1 不同溶液处理后的荷叶与水的接触角随时间变化图Fig.1 Curves of contact angles between water drops and lotus leaves in different solution

图2

Fig.2

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	图2 不同pH值溶液浸泡后SEM图与原貌图比较(浸泡时间80 h)Fig.2 Compare of SEM micrographs of the lotus leaf samples soaking in different solution (soaking time 80 h)

图3(a)(b)分别为荷叶样本在乙醇、丙酮溶液中浸泡不同时间后, 取出用清水冲洗阴干后与水的接触角测量图片。图4和图5分别为荷叶样本在乙醇、丙酮溶液中浸泡1、2、4 h后的表面微观形貌结构SEM图片。

图3

Fig.3

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	图3 荷叶经处理后与水的接触角Fig.3 Contact angles of lotus leaf samples treated in ethanol and acetone solution at different time

图4

Fig.4

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	图4 荷叶表面经乙醇浸泡不同时间后的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of lotus leaf samples soaked in ethanol solution at different time

图5

Fig.5

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	图5 荷叶表面经丙酮溶液浸泡不同时间后的SEM形貌Fig.5 SEM micrographs of the lotus leaf samples soaked in acetone solution at different time

2.2.1 荷叶经酸、碱溶液处理后润湿性变化情况及其原因

由图1(a)可知, 荷叶样本在不同pH值的酸、碱溶液浸泡80 h后, 其表面与水的接触角总体上呈缓慢减小趋势, 变化幅度较小, 接触角仍在140° 以上, 即仍保持其较好的疏水特性。表明荷叶表面受溶液的酸碱性影响较小, 具有较强的抗酸碱性。从图2荷叶样本浸泡前后表面SEM图片对比分析可知, 酸、碱溶液浸泡后荷叶表面微观形貌变化主要体现在两个方面:一是乳突下面的“ 山丘” 几乎消失, 叶表面粗糙度略有下降; 二是鲜荷叶样本乳突饱满, 浸泡后乳突尺寸略有缩小, 表现为微小凹陷, 但乳突的位置、间距、密度和高度等结构要素未发生明显变化, 因此当水滴落至叶表后, 乳突间凹陷部分仍能留存一定量空气, 甚至会形成连续或者非连续的一层薄薄气膜, 使得接触角依然很大; 另一方面, 荷叶化学成分比较复杂, 经分离得到27种化合物^[5], 但归纳起来主要包括黄酮类、生物碱类、有机酸类、氨基酸类和挥发油5大类。荷叶在酸、碱溶液中浸泡后, 其表面的酸性和碱性物质与浸泡的酸、碱溶液发生了微弱的中和反应, 但通过图6可知, 经酸、碱溶液浸泡后80 h, 荷叶表面乳突上微纳米尺度蜡晶^{[6, 7]}大小与分布情况无明显变化, 表明它与酸、碱溶液未发生明显的化学反应。正因为如此, 荷叶表面疏水特性没有发生大的改变。

图6

Fig.6

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	图6 未浸泡与不同pH溶液浸泡后荷叶乳突蜡晶 形貌对比图(浸泡时间80 h)Fig.6 SEM micrographs of wax crystal(shown at two magnifications)for lotus leaf mastoid (soaking time 80 h)

2.2.2 荷叶经乙醇、丙酮溶液处理后润湿性变化及其原因

从图3可以看出, 荷叶经乙醇(15 s)、丙酮(70 s)浸泡处理后, 样本与水滴的接触角迅速减小, 乙醇与水滴的接触角迅速减至40° 左右, 丙酮与水滴的接触角迅速减至15° 左右, 表现为明显的亲水特征。继续浸泡样本, 每隔1 h对其接触角和微观形貌重新进行观测, 未见其再发生明显变化。

从结构因素看, 荷叶表面乳突在两个维度上呈现类似正弦曲线型, 可以视为阶层结构, 符合Cassie润湿模型, 所以此种结构易产生吸液而在表面产生一层液膜。由cosθ ^* =f_scosθ _e+1-f_s, 其中f_s为表观接触面上固体所占比例; θ _e为本征接触角。显然f_s越小, 表观接触角θ ^* 越小, 使得叶表呈现明显的亲水特性^[8]。

从化学成分看, 乙醇和丙酮均属于挥发性有机物, 它们在一定条件下均可以与荷叶中的酸、碱等成分发生反应; 荷叶表面纳米蜡质晶体属于挥发油类物质, 主要是由脂肪酸与醇反应生成, 根据相似相容性可知脂质溶于醇; 丙酮具有亲水性和亲脂性, 所以经乙醇和丙酮处理后的荷叶样本(见图4和图5), 其叶表的乳突已经塌陷或干瘪, 乳突高度明显下降, 乳突之间沟壑不再明显, 形成类似蜂窝状的不规则凹坑, 导致荷叶的疏水性急剧下降, 这使其由超疏水表面迅速变成超亲水表面。