固体表面浸润性基本理论

浸润现象微观解释
浸润现象是指液体在固体表面自发展成一层薄膜的现象，也可以理解为液体与固体之间的相互作用。

浸润现象广泛应用于科学、工程、医学等领域，例如超疏水表面、生物膜的形成等。

微观解释浸润现象的主要理论有亲疏水理论和界面物理化学理论。

亲疏水理论认为，液体与固体间的相互作用力决定浸润现象的发生。

液体分为亲水性和疏水性两种，亲水性液体靠近固体表面时，水分子与固体表面形成强键合作用，此时液体会在固体表面形成薄膜并往上升高，即完全浸润。

疏水性液体则是液体分子间相互作用力大于与固体表面的相互作用力，这种液体会减少与固体表面接触面积，产生形态各异的珠状或水滴状现象，即不完全浸润。

界面物理化学理论则是从分子层面解释浸润现象。

固体表面的原子和分子有许多未成对电子，使固体表面产生了电荷。

液体分子在接近固体表面时会受到表面电荷的影响，进而与表面形成电荷分布不匀的界面。

此时，液体分子表面的电荷分布不匀最大化了固体表面与液体分子间的静电作用力，从而形成了液体分子的一层压在固体表面上的薄膜。

除此之外，界面能、电荷分布、溶液浓度及表面粗糙度等因素也会影响浸润现象。

界面能越小，表面就越易于被液体浸润；电荷分布不均匀会导致液体在固体表面形成修饰不同的纹理；溶液浓度越小，浸润现象越容易出现；表面粗糙度越小，浸润现象越容易产生。

总的来说，浸润现象是一种复杂的液体和固体表面相互作用的现象，主要由亲疏水性和界面物理化学理论解释。

在实际应用中，浸润现象可用于制造超疏水表面、生物膜修饰等领域，对材料的定制和性能的提高有重要的作用。

向大自然学习-自然界中的超疏水微结构固体表面对于液体的润湿性，又称浸润性，是固体一个非常重要的性质。

它在工业、农业以及日常生活中发挥着非常重要地作用，自然界中植物根部对水的吸收，建筑物玻璃外墙上的水渍和眼镜上的水雾等，都与其表面润湿性能有关，润湿性能的应用极为广泛，包括微电子工业、印刷工业、造纸工业、交通行业乃至新材料应用、新型防水服装面料等方面无不与润湿性能有着密切的关系。

从科学研究的角度来讲，对润湿问题的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重大的实际应用价值。

对于固体来说，当液滴接触其表面时，液滴会保持它部分的形状或者在固体表面铺展开来，从而形成一层薄的液膜，这一性质通常是通过测量接触角来描述。

当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角接近0°时，这样的固体表面分别被称作为超亲水或者超亲油表面，而当水滴或者油滴在固体表面上所形成的接触角大于150°时，这样的固体表面分别被称作为超疏水或者超疏油表面。

作为固体表面润湿性的一个极端特例，超疏水/油性或者超疏水/油材料由于其在防水、防腐蚀、自净、减阻降噪、光电材料、绿色印刷等方面有极其广阔的应用前景，因此，近年来一直受到材料科学研究者的广泛关注和极大兴趣。

笔者因为探索绿色印刷工艺技术，在最近的几年里更是深入其中，尤为对大自然中的动植物物具备的超疏水现象及其背后的科学原理惊叹不已，神奇的大自然为功能性印版超疏材料的研发提供了许多重要的信息。

人们对超疏水现象最简单的认识起源于对自然界中一些植物茎、叶表面以及一些动物羽毛表面的疏水和自洁净现象。

地球上的生物经过了亿万年的繁衍，在这一过程中通过不断的进化、演化和优化，其结构和功能为了适应环境而不断地发生着改进。

许多生物体为了适应其生存环境，表层已逐渐形成各种规则的粗糙结构，这种结构具有疏水、自洁脱附、减阻、抗磨、防雪、防雾和抗氧化等功能，除此之外，有些生物体表面还具有隐形、拟态、降噪和稳定等功能。

摘要浸润性是固体表面十分重要的一个性质。

大量的研究工作已经表明固体表面的浸润性涉及分子的，微观的表面结构和宏观的几何形貌。

然而边缘——作为固体宏观几何形貌中一个重要的几何特征——在固体表面浸润性中的作用却没有得到足够的重视。

目前，随着微纳技术的开发以及超疏水自清洁、微流体等一系列应用的需要，研究者越来越多地认识到边缘在表面浸润性中的重要意义，一些工作已经开始涉及到固体边缘的浸润性研究。

但这些研究是远远不够的。

本论文旨在从固体边缘的角度重新认识一些物理化学现象，并从仿生和应用的角度出发，采用最新的微纳技术构建新型的功能化固体边缘解决实际生活中存在的固体边缘的浸润性问题，实现一些特殊浸润性的功能表面。

这些研究结果将会对今后开发和设计生活用品、微观产品等众多方面将起到重要的作用。

1.在国际上首次观测了荷叶叶缘在荷叶效应中的浸润作用。

结果表明虽然荷叶叶缘比荷叶表面对水滴有更大的粘滞性，但由于叶缘的几何特征并没有明显影响荷叶效应的实现。

特别地，由于荷叶叶缘和表面之间微观结构的不均匀性，造成了水很难漫向荷叶的表面，而却相对容易从荷叶表面离去。

2.液体在固体边缘的“绕流”问题严重地影响了人们日常的生活和工作。

为了更好地解决这个问题，我们提出了一种新的解决方法——提高液滴在固体边缘的稳定性。

通过在边缘挤压水滴的方法，我们模型化地研究了影响水滴在固体边缘稳定性的因素。

结果表明增加上升角，真实上升角和边缘的尺寸以及使用具有低表面能的疏水分子都能巨大地增加水滴在固体边缘的稳定性。

因此我们通过打磨的方法增加Teflon管体的边缘疏水性和管壁的低粘滞，彻底解决了水流在光滑Teflon管体的“绕流”问题。

3.我们从边缘效应的角度重新讨论了毛细上升现象，并且构建了一定微结构在边缘侧面，以观测其对整个过程的影响。

结果表明，通过在侧面引入精细的微图案将改变毛细上升的发生条件。

同时微结构造成了弯液面边缘和接触角值的振荡。

在实验条件下，毛细上升过程中接触角的动态变化展示了指数关系：~n t θ−（0.5n <−）。

浸润的微观解释浸润是我们日常生活中经常遇到的现象，比如水滴在玻璃表面的扩散、油漆在墙面上的渗透等等。

在物理学中，浸润是指一种液体在另一种固体表面上的扩散现象。

在这个过程中，液体会在固体表面形成一层薄膜，这个薄膜的厚度和液体与固体之间的相互作用力有关。

那么，从分子层面上来理解浸润现象，我们该如何解释呢？我们需要了解一些基本概念。

在物理学中，液体分子之间的相互作用力可以用表面张力来描述。

表面张力是指液体表面上的分子之间的相互作用力，它使得液体表面趋向于缩小，形成一个球形的形态。

而固体表面上的分子之间的相互作用力则可以用接触角来描述。

接触角是指液体与固体表面之间的接触角度，它反映了液体与固体之间的相互作用力大小。

当液体与固体表面之间的相互作用力较小时，液体会在固体表面上扩散，形成浸润现象。

这个过程可以用Young方程来描述：cosθ = (γsv - γsl) / γlv其中，θ是接触角，γsv是固体表面与气体之间的表面张力，γsl是液体表面与固体表面之间的相互作用力，γlv是液体表面与气体之间的表面张力。

当γsl小于γsv时，cosθ小于90度，液体会在固体表面上扩散；当γsl大于γsv时，cosθ大于90度，液体则会形成球形的形态。

从分子层面上来理解，液体分子在固体表面上扩散的过程可以分为两个步骤。

首先，液体分子会受到固体表面上的分子吸引，形成一个液体分子层。

这个液体分子层的厚度取决于液体分子与固体表面之间的相互作用力大小。

如果相互作用力较小，液体分子层会比较厚；如果相互作用力较大，液体分子层则会比较薄。

接下来，液体分子会在液体分子层内部扩散，直到液体分子层与液体之间的相互作用力达到平衡。

这个过程中，液体分子之间的相互作用力会使得液体分子层趋向于平滑，形成一个连续的薄膜。

这个薄膜的厚度取决于液体分子之间的相互作用力大小，以及液体分子与固体表面之间的相互作用力大小。

浸润现象是液体分子在固体表面上扩散的过程。

大物实验固体表面的浸润实验报告关于液体，还有一个知识点需要掌握，那就是浸润和不浸润现象。

所谓的浸润指液体与固体发生接触时，液体附着在固体表面或渗透到固体内部的现象，此时对该固体而言，该液体叫做浸润液体。

如水和玻璃接触的时候，玻璃上会被弄湿，那么，对于玻璃来说，水就是浸润液体而不浸润指液体与固体发生接触时，液体不附着在固体表面且不渗透到固体内部的现象，此时对该固体而言，该液体叫做不浸润液体。

如水银和玻璃接触的时候，水银只会在玻璃上滚来滚去，而不会附着在玻璃上，那么，对于玻璃来说，水银就是不浸润液体。

浸润和不浸润现象，是分子力作用的表现。

当液体与固体接触时，在接触处形成一个液体薄层，叫做附着层。

附着层里的分子受到固体分子的吸引，如果吸引比较弱，附着层里的分子就比液体内部稀疏。

在附着层里就会出现跟表面张力相似的收缩力，跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成“不浸润现象”。

相反，如果液体分子受到固体分子之间的吸引相当强，附着层里的分子就比液体内部更密，分子间距减小。

在附着层里就出现液体分子相互推斥的力，这时跟固体接触的液体表面有扩展的趋势，形成“浸润现象”。

所以如果一个杯子里装了半杯浸润液体，那么，液体表面应该是一个凹型，反之，如果一个杯子里装了半杯不浸润液体，那么，液体表面应该是一个凸型。

由于浸润和不浸润，毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外液面；毛细管插入不浸润液体中，管内液体下降，低于管外液面。

这种现象就是毛细现象。

植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，它能把土壤里的水分吸上来。

砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象。

水沿毛细管上升的现象，对农业生产的影响很大。

土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。

如果要保存地下的水分，就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层的毛细管，以减少水分的蒸发。

简论 超级微观物理学基本原理 中的浸润和不浸润现象的实质机理重庆市云阳县教育科学研究所银 帅现行高中物理对浸润和不浸润现象的解释是违背科学原理、客观存在和事物基本规律的。

我们先看课本中的解释:当液体与固体接触时,在接触处形成一个液体薄层,叫做附着层,附着层里的分子既受到固体分子的吸引,又受到液体内部分子的吸引。

如果受到的固体分子的吸引比较弱,附着层里的分子就比液体内部稀疏,在附着层里就出现跟表面张力相似的收缩力,这时跟固体接触的液体表面有缩小的趋势,形成不浸润现象(水银与玻璃接触)。

相反,如果受到的固体分子的吸引相当强,附着层里的分子就比液体内部更密,在附着层里就出现液体相互推斥的力,这时跟固体接触的液体表面有扩展的趋势,形成浸润现象(水与玻璃接触)。

下面,将课本中的解释用图像具体地表现出来(图1)。

图1 浸润和不浸润现象中液体分子的表里分布状况从图1中看出:两种附着层里的分子和液体内部的分子分布密度则完全相反。

然而,以上解释正确吗?因液体分子存在连接力弱、移动性和占据性(宇宙是一个充满各种粒子集团(各类天体)和各种粒子的实体,互不 容忍 存在任何一个 绝对真空 。

因此,宇宙间不存在绝对真空(除天体磁场弧以外的空穴间外)。

一旦造成绝对真空,外部粒子就必然具有一种向内拥挤的力,这种力叫 占据力 。

占据力是宇宙粒子运动的共性,实际上并非液体分子或气体分子所独有。

超级微观物理学基本原理 中的磁原子理论,统一了物质,统一了力,统一了机理,统一了现象。

占据力,就是力的统一)强三大特性,故固体分子引力根本不可能改变液体分子间距和分力。

固体引力能否改变液体分子间距和分子力,其实,我们用一个最简单的直观法就能清楚判断:将垂直于桌面的玻板慢慢地靠近桌面上的水银珠,如果水银珠发生明显形变,证明固体引力确实可以改变液体分子间距和分子力,水银与玻璃接触形成的不浸润现象和现行课本中的解释完全一致。

而实验证明,玻璃靠近水银是毫无任何反应的。

润湿固体的原理和作用润湿固体是指在与固体表面接触时能够迅速扩展并使固体表面被液体湿润的物质。

润湿固体的原理是液体与固体之间的相互作用力。

在液体与固体接触时，液体分子与固体表面分子之间产生相互作用，使液体能够覆盖固体表面，并能在表面上形成一层较薄的液体薄膜。

润湿固体的作用十分广泛，下面从不同方面进行详细阐述：1. 表面润湿性：润湿固体可以提高固体表面的润湿性，使得液体能够更好地覆盖固体表面，从而降低液滴在固体表面上的接触角。

这种改善润湿性的能力在各个领域都有应用，例如化妆品中的高润湿性成分可以使化妆品更容易涂抹均匀。

2. 接触面积增加：润湿固体能够使液体在固体表面上形成较大的接触面积，增加液体与固体之间的接触面，从而提高反应速率，加快反应过程。

这在化学反应、催化剂和电化学领域都有应用。

3. 液体输运：润湿固体的作用还可在微纳米尺度上发挥作用，例如在微流控芯片中，润湿固体可以改变液体在微通道中的流动性质，使微通道中的液滴更容易前进或停止，实现液体的精确输送。

4. 界面性能：润湿固体的特性还可以改善液相与固相的界面性能，提高材料的稳定性和性能。

例如，润湿固体可以在涂层和塑料添加剂中应用，提高材料的耐候性和耐磨性。

5. 润滑剂：润湿固体还可应用于润滑剂领域。

润湿固体能够减小固体表面之间的摩擦力，使其变得更容易滑动。

因此，在液压系统、汽车零件以及机械设备中广泛使用。

6. 油墨、颜料：润湿固体也常用于油墨和颜料制造中。

润湿固体可以使颜料更好地附着在底材表面，提高油墨和颜料的光泽、色彩饱和度。

7. 成膜和涂层：润湿固体还可以用于成膜和涂层技术。

润湿固体可以使液体在固体表面上形成均匀的薄膜，提高涂层的平整度和附着力。

总结来说，润湿固体作为一种能够改善固体表面润湿性的物质，广泛应用于各个领域，包括化学、材料、催化剂、润滑剂、油墨、颜料等。

通过提高液体与固体之间的相互作用力，润湿固体能够改善材料的界面性能，提高材料的稳定性、耐磨性和反应速率。