疏水粗糙表面通过聚并诱导润湿转变的自清洁

莲科植物超疏水叶片及其他具有自清洁功能的天然表面已被深入研究以开发人工仿生表面。由分级结构产生的表面粗糙度是超疏水性和自清洁所需的关键性质。在此，我们展示了一种纹理表面的新颖自清洁机制，其归因于自发的聚并诱导润湿转变。我们关注润湿转变，因为它代表了一种新机制，可解释粗糙表面上的液滴为何能够从高粘附的 Wenzel 态变为低粘附的 Cassie-Baxter 态并实现自清洁。特别地，我们对位于机械纹理基底上的液滴进行了多体耗散粒子动力学模拟。我们定量研究了孤立液滴以及 Cassie-Baxter 态与 Wenzel 态下液滴聚并的润湿行为。我们的模拟结果显示，Cassie-Baxter 态液滴比 Wenzel 态液滴具有低得多的接触角滞后和更小的流体动力学阻力。当相邻小液滴在纹理疏水基底上聚并成更大液滴时，我们观察到从 Wenzel 态到 Cassie-Baxter 态的自发润湿转变，其由液滴聚并时释放的表面能驱动。对于超疏水表面，释放的表面能可能足以导致液滴从表面弹跳，此时增加一个液滴参与聚并可能使弹跳速度提升一个数量级。当涉及多个液滴时，我们发现通过适当设计液滴的整体排布及其间距，可控制聚并液滴中液体成分的空间分布。