1 引言
自然界中的生物通过“优胜劣汰”的进化法则，其自身结构为了适应环境不断得到优化。正因如此，许多生物体表面具备自清洁的特性，如荷叶、水稻叶片、蝉翼蜗牛壳、蝴蝶翅膀等。从科学研究上来说，这些自清洁表面本质为超输水结构。荷叶表面微乳突结构上存在着微/纳米复合结构，这种结构使其具有超疏水性，水稻叶片可以让水滴向着植株根茎方向滚落，以便根能收集到更多的水分。常见的鹅毛和鸭毛是防水的，这种特性可归因于其羽毛上有排列整齐的微米及亚微米尺寸的条型结构，使得其具有良好的疏水性和透气性。
近年来，人们对蝴蝶翅膀表面的研究越来越多，其不仅具有结构色，而且具备化学感应能力和荧光发射功能。蝴蝶翅膀表面上的微结构可以通过扫描电子显微镜（SEM）观察得到，翅膀是由重叠排列的鳞片组成，鳞片多为齿状结构且排列紧密有序，其中存在线形脊脉将其隔开。不同蝴蝶鳞片的大小、排列方式、脊与肋之间的尺寸有所差别。
2 液滴与表面接触的模型
浸润现象及疏水性是由固体表面结构与性质、液体的性质及固液界面分子间相互作用等微观特性的宏观结果。对于亲水和疏水表面不同的固液气三相接触，较为经典的两种模型为Wenzel和Cassie接触角模型。
图1 固液气三相接触角模型
（2）
3 蝴蝶翅膀表面的疏水机理分析
通过采用静态接触角测试蝴蝶翅膀表面的浸润性，水滴在蝴蝶翅膀表面的接触角接近180°，不同种类的蝴蝶接触角大致分布在136°~156°之间，水滴无法黏附在蝴蝶翅膀上。由于非光滑尺度的存在，浸润性因此得到改变，从而促进疏水性。蝴蝶翅膀表面的鳞片结构由许多纳米级骨架结构构成，这种结构不仅可以有效降低蝴蝶翅膀的重量，而且空隙中会捕获大量的空气，使水滴与翅膀表面接触面积减小，符合Cassie模型。通常液滴与固体表面的分子间势能采用Lennard-Jones势能函数表征，选取界面能比参数c进行定量化，c满足
。根据上文中的接触角模型，可得到粗糙表面下Wenzel模型和Cassie模型对应的接触角：
（3）
其中，三个表征表面几何结构的参数
分别为无量纲化的水平方向横纵微结构尺度和竖直方向上的尺度。以
情况为例，得到两种模型下表观接触角
与c的关系曲线如图3所示。
图3 接触角
随界面能比参数c的变化关系（光滑表面和粗糙表面）
蝴蝶翅膀表面的超疏水性质不仅依赖于表面上微纳米级的鳞片组合结构，还与主要组成成分鳞片之间由于空隙存在而形成的气层有关。当水滴沿着鳞片堆叠方向运动时，翅膀上鳞片末端翘起，鳞片不再紧密贴合而是存在一定的空隙，当水滴滑过时两者之间也存在大量的空隙，当水滴流动方向与鳞片堆叠方向相反时，水滴与鳞片的接触面积减少，根据Cassie方程可知，接触面积小，受到的黏附力也小；图4展示了液滴沿着和逆着鳞片堆叠方向运动时的情况，当水滴逆着鳞片堆叠方向运动时，液体浸入鳞片间隙，由于表面张力的作用，鳞片闭合，使得水滴与鳞片的接触面积大大增加，因此黏附力大于沿着鳞片运动时受到的力。
图4 液滴沿着和逆着鳞片堆叠方向运动示意图
4 结语
蝴蝶翅膀表面由于具有特殊的微结构而表现出优异的疏水性能，本文首先展示了扫描电子显微镜拍摄的翅膀表面的微结构，并通过经典的三相接触模型发现蝴蝶翅膀表面满足Cassie模型，解释了其具备自清洁功能的原因。通过静态接触角和滚动角的测量与分析，发现表面鳞片的有序排列会使不同方向滚动的液滴表现出不同性质。同时根据Cassie模型可知，鳞片间隙中的气层也对疏水性有一定影响，水滴运动方向与鳞片排列方向是否一致也会改变黏附力的大小。综上，蝴蝶翅膀的疏水性与表面的微结构存在紧密联系，不同方向流动的水滴会存在一些差异，但都可以根据基本的接触角模型进行解释。
参考文献
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（作者供职于北京市延庆区第一中学）
