[发明专利]用于动态流体钉扎的装置

说明书

本公开内容提供微结构化的疏水表面和用于抓握湿的可变形表面的装置。本文公开的表面和装置利用分离接触的Wenzel‑Cassie机制来产生多层Wenzel‑Cassie结构。Wenzel‑Cassie结构以空间周期分隔，该空间周期对应于微结构或装置设计成要与之接触的湿的可变形表面的至少一种褶皱本征模，从而允许可变形表面抓握而不会滑动。本发明的微结构特别设计成当在可变形表面上施加剪切力时防止形成Shallamach波。本公开内容的多级别Wenzel‑Cassie状态随时间产生，且因此在滑动的情况下且更重要地在局部化的情况下以分级的流体钉扎为特征。

相关申请的交叉引用

该申请要求享有于2017年9月28日提交的编号为62/564,783的美国临时申请的权益，该临时申请由此通过引用以其整体并入。

技术领域

本公开内容大体上涉及微结构化表面以及包括该微结构化表面的装置。本文公开的表面可用于防止或最小化微结构化表面和可变形表面之间的液体界面处的滑动。微结构化表面可在疏水表面上具有微观特征的分级布置，且采用动态流体钉扎以增加接触角滞后，从而提供粘附而不是排斥的表面。

背景技术

润湿是液相和固相之间的关系，且润湿对于流体钉扎是必不可少的。润湿的特征在于在液体和固体表面之间的界面处的接触角。接触角代表液体和固体之间的分子间相互作用，其中最小化相互作用的能量。接触角还可与粘附力和内聚力之间的力平衡相关联。润湿对于两种材料的粘合或粘附很重要。

有两种类型的润湿：非反应(静态)润湿和主动(动态)润湿。液体和固体之间的粘附力会引起液滴散布在固体表面上(Wenzel润湿)。液体内的内聚力会引起液滴聚结，并避免与表面接触(Cassie-Baxter润湿)。粘附力和内聚力的并置导致流体钉扎，这实质上是流体在表面上粘附地扩散的趋势与流体抵抗附着和在表面上扩散的趋势之间的平衡。

接触角是相关相的表面纹理和化学组成的复杂函数。当表面纹理上的液体的接触角小时，液-固界面被说成处于Wenzel状态。当表面纹理上的液体的接触角大时，液-固界面被说成处于Cassie-Baxter状态。当液体的部分处于Wenzel状态且液体的另一部分处于Cassie-Baxter状态时，组合状态被说成处于Wenzel-Cassie状态。

Wenzel-Cassie表面纹理引起在前进和后退接触角之间具有大差异的状态(接触角滞后)。Wenzel-Cassie状态是表面上的复合状态，其中在一个位置上存在至少一个Wenzel状态，且在另一位置上存在至少一个Cassie-Baxter状态。Wenzel状态(润湿状态)的特征在于小的接触角。Cassie-Baxter状态(去湿状态)的特征在于大的接触角。并列的这两种状态的相反性质导致流体钉扎。

流体钉扎是其中与微结构化表面接触的流体局部化的状态。流体钉扎是一个通用用语，在本文中，当特异性对于理解赋能方面很重要时，在Wenzel-Cassie表面上的流体钉扎将称为Wenzel-Cassie钉扎。

在具有多个空间尺度水平的微结构化表面上产生分级的Wenzel-Cassie状态。每个级别可分别引起Wenzel或Cassie-Baxter状态，或可共同引起，或成对的Wenzel和Cassie-Baxter状态可在空间尺度级别之间组合产生。

Wenzel-Cassie状态是三相现象，且典型地由表面纹理的尺寸介导的固体、液体和气体接触组成。不太常见的是，Wenzel-Cassie状态可包含固体、水性液体和脂质相。Wenzel-Cassie状态的特征是具有高表面能的微结构与具有低表面能的微结构在空间上并置。备选地，微结构的并置的特征可在于，一个微结构相对于另一微结构更疏水，或更亲脂和(另外)更亲水。