接触角(水滴角)与表面奈米结构

材料的疏水性，可以由表面的奈米结构产生的，奈米结构能够改变固体表面的形状和特性，进而影响液体在表面上的接触角(水滴角)。在自然界中的荷叶就是这现象的实列。

 奈米结构可以通过两种主要机制来实现疏水性：

Cassie-Baxter模型和Wenzel模型。

Cassie-Baxter模型：

Cassie-Baxter模型是描述奈米结构表面疏水性的重要模型之一。当液体滴在具有奈米结构表面的固体上时，液体能够在奈米结构之间形成气体或气体/液体界面的通道。这些气体通道可以降低液体与固体接触的面积，从而使接触角增加，增强疏水性。Cassie-Baxter模型的数学表示如下：

cosθ = f1 * cosθ1 + f2 * cosθ2

其中，θ是接触角，θ1和θ2分别是固体表面和液体/气体界面的接触角(水滴角)，f1和f2是奈米结构表面上液体和气体区域的占比。

Wenzel模型：

Wenzel模型是另一种描述奈米结构表面疏水性的模型。在Wenzel模型中，假设液体完全填充在奈米结构表面的微细凹陷之中。这样可以增加液体与固体接触的面积，使接触角(水滴角)减小，降低疏水性。Wenzel模型的数学表示如下：

cosθ' = r * cosθ

其中，θ'是修正后的接触角，θ是固体表面的接触角(水滴角)，r是奈米结构表面的粗糙度因子，表示奈米结构的表面增加了多少实际接触面积。

• (左) 停留在固体表面上并被气体包围的液滴形成特徵接触角 θ。
• (中) 如果固体表面粗糙，并且液体与固体粗糙结构紧密接触，则液滴处於Wenzel状态。(右) 如果液体位於凹凸不平的顶部，则它处於 Cassie-Baxter 状态。
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总结起来，Cassie-Baxter模型和Wenzel模型提供了解释奈米结构表面疏水性的不同观点。Cassie-Baxter模型认为奈米结构形成气体通道，增强疏水性；而Wenzel模型认为奈米结构增加了实际接触面积，降低疏水性。实际情况可能是两种模型的结合，具体取决於奈米结构的形状、尺寸和固体表面的特性。

Cassie分析法是一种评估奈米结构表面疏水性的方法。该方法基於Cassie-Baxter模型，通过测量液体滴在固体表面上的接触角来评估疏水性。首先，测量平滑固体表面的接触角作为参考。然后，在奈米结构表面上形成液体滴，并再次测量接触角。通过比较两者的接触角，可以评估奈米结构对疏水性的影响。如果奈米结构表面上的接触角(水滴角)大於平滑表面上的接触角(水滴角)，则可以确定奈米结构具有疏水性。

奈米结构表面的疏水性还受到其他因素的影响，例如表面能、表面张力等。因此，在评估奈米结构表面的疏水性时，需要综合考虑各种因素的影响。