自然界中粗糙表面的潤濕行為一直是值得研究的有趣課題，也是合成材料設計的重要靈感來源，表面粗糙度與表面化學特性都會影響一個表面的潤濕性，而提到濕潤性，一般要鑑定此參數會使用接觸角（Contact Angle, CA）來表達固體表面的疏水性或親水性，當水的接觸角為 0° < θ₀ < 90° 時，該表面通常被稱為「親水性」；反之，若接觸角為 90° < θ₀ < 180°，則表面可稱為「疏水性」。

 

蓮花效應 vs. 玫瑰花瓣效應

自然界中最具代表性的高疏水性表面是蓮葉，其特殊的表面性質造就了所謂的「蓮花效應（Lotus Effect）」，蓮花效應指的便是因表面粗糙結構所引起的超疏水性現象，表現為水滴具有大接觸角且遲滯角（CAH）非常小（θCAH < 10°），而蓮花效應已被廣泛理解並應用於開發多種表面塗層，例如塗料、屋瓦、布料等，可保持防水與自我清潔，實際應用包括德國高速公路交通控制感測器上安裝的自潔玻璃。然而，與蓮花表面上的水滴能輕易滾落不同，研究發現玫瑰花瓣雖同樣具有高接觸角，但花瓣上的水滴卻會牢牢附著，意即其擁有較大的遲滯角，這與蓮花效應完全相反，因此此一表面特性被稱為「玫瑰花瓣效應（Rose Petal Effect）」。

由上述的例子可得知，表面潤濕實際上是一個複雜的問題，這是因為表面上存在微米、奈米以及層級式結構，蓮葉與玫瑰花瓣雖然皆具有由微米與奈米結構組成的粗糙表面，但又可依其潤濕狀態區分為數種類型，例如Cassie-Baxter 狀態（如蓮葉），在此狀態中空氣被困於表面結構中，使液體無法完全覆蓋表面；以及Wenzel 狀態（如玫瑰花瓣），液體則可完全覆蓋表面（見圖1）。

 


圖1: Cassie-Baxter 狀態（如蓮葉）和Wenzel 狀態（如玫瑰花瓣）的比較

了解這些擁有微結構表面的潤濕行為對於功能性的表面應用有重要影響，儘管「蓮花效應」已被廣泛研究並充分理解，然而關於玫瑰花瓣表面的潤濕狀態仍存在許多未解之謎，為了釐清這些問題，Ghosh 等人著手製作玫瑰花瓣表面的複製品，以研究其潤濕行為並揭示「玫瑰花瓣效應」背後的機制。

玫瑰花瓣表面複製實驗與接觸角分析

真實玫瑰花瓣的正、負複製體是透過軟光刻技術（soft lithography）在交聯的 PDMS上製作而成的（見圖2），這些產生出來的表面透過接觸角測量進行表徵，分析其表觀接觸角（θ*）、前進角（θa）與後退角（θr），如表1所示，複製體的θ與接觸角遲滯（θCAH）與真實玫瑰花瓣幾乎一致，它們皆具有高接觸角（θ約為140°）與高接觸角遲滯（θCAH 約為70°，遠高於蓮葉表面的一般值 >10°），照常理，高接觸角代表液體與固體間的附著力低，但另一方面，高遲滯角則顯示出高附著力，這十分矛盾！

 


圖2: 使用雙模複製技術製作玫瑰花瓣的a)負片複製品和b)正片複製品


表1: 不同樣品的表面溼潤性(n ≥ 3)

 

為了釐清實際情況，研究者進行了附著力測試，結果顯示三種表面（真實玫瑰花瓣為 184 µN、負複製體為 200 µN、正複製體為 175 µN）的附著力皆遠高於蓮葉表面，這與上述的高 θCAH數據相符，這些結果進一步說明，附著力主要取決於基材的層級幾何結構，而非材料本身的化學組成。

潤濕機制的應用啟示

研究者利用原位影像技術，如共軛焦雷射掃描顯微鏡（CLSM）與原子力顯微鏡（AFM），對這三種表面的形貌進行觀察，在 AFM 測試中，兩種複製體的次級皺摺結構顯示出輕微的粗糙度降低。根據這些觀察結果，作者推論「玫瑰花瓣效應」源於一種 Cassie 滲入型潤濕狀態（Cassie impregnating wetting state），這代表水無法完全滲入表面奈米溝槽中，導致空氣被困於次級奈米皺摺周圍的結構內。

該研究顯示「玫瑰花瓣效應」來自 Cassie 滲入型潤濕狀態，進而造成高水接觸角、大遲滯角，以及強水附著力。此研究不僅有助於理解「玫瑰花瓣效應」背後的有趣科學原理，亦提供了透過調整表面粗糙度以設計具特殊功能材料的靈感，可應用於各種領域。


​本研究使用設備
​

Dataphysics-OCA 15EC

專為接觸角與液滴形狀量測設計，操作靈活、影像清晰，支援單/雙電子注射系統與無管供液，大幅提升效率、減少清潔時間。結構輕巧易拆，可快速收納與攜帶，是專業實驗室與行動量測的理想入門選擇。【了解更多】
 

>> 更多科學儀器分析方案？

參考資料

Replicating and resolving wetting and adhesion characteristics of a Rose petal; Udita Uday Ghosh, Sachin Nair, Anuja Das, Rabibrata Mukherjee, Sunando DasGupta; Colloids and Surfaces A 2019, 561, 9-17; DOI: 10.1016/j.colsurfa.2018.10.028

觀看其他儀器