全 文 ：书Vol． 33 高 等 学 校 化 学 学 报 No． 3
2012 年 3 月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 564 ～ 568
霸王鞭和麒麟掌叶片的表面
微结构及超疏水性
张诗妍，高常锐，狄桓宇，冯 琳
(清华大学化学系，北京 100084)
摘要 霸王鞭(Euphorbia antiquorum)和麒麟掌(Euphorbia neriifolia var． cristata)是 2 种特殊的叶片，正面不疏
水而叶片背面超疏水的沙漠植物． 本文通过接触角测试仪、电子显微镜和表面张力测试仪分别对叶片的超
疏水性、表面微观形貌和表面黏附力进行了测试和表征． 采用模板法，以聚乙烯醇为模板、以聚苯乙烯为基
底制备仿叶片背面结构的聚苯乙烯薄膜，并对薄膜表面的超疏水性、表面微观形貌和表面黏附力进行了测
试和表征，发现这 2 种叶片背面的平均间距为 1 ～ 3 μm的层片状微观结构可以构建出具有超疏水高黏附力
特性的表面．
关键词 霸王鞭;麒麟掌;超疏水性能;微观结构
中图分类号 O647 文献标识码 A DOI:10． 3969 / j． issn． 0251-0790． 2012． 03． 025
收稿日期:2011-07-01．
基金项目:国家自然科学基金(批准号:51173099)和国家重大科学研究计划项目(批准号:2009CB930602)资助．
联系人简介:冯 琳，女，博士，副研究员，主要从事功能纳米界面材料研究． E-mail:fl@ mail． tsinghua． edu． cn
经过上亿年的进化，自然界中的很多生物体已经具有了近乎完美的性质［1］，而其中很多性质来源
于微观结构． 如水黾足部的刚毛上由于有纳米级凹槽结构可以吸引气泡形成一层气垫，从而轻松地在
水面行走和跳跃［2］． 浸润性是固体表面的重要特征［3，4］，影响固体表面浸润性的因素主要是其表面化
学组成(表面自由能)和其表面微观结构［5］． 由于接触角高于 150°的超疏水表面具有广泛的应用［6］，因
此具有该性能的材料引起了众多研究人员的兴趣［7，8］． 对于光滑无结构的表面，即使是表面能最低的
化学物质，其接触角也仅达到 119°左右［9］，而具有微结构的表面则可能达到超疏水． 荷叶是一种典型
的超疏水生物材料，具有超疏水易滚动的特点，是目前超疏水研究领域的热点［10，11］，但对于沙漠植物
的超疏水性研究还很少． 霸王鞭(Euphorbia antiquorum)和麒麟掌(Euphorbia neriifolia var． cristata)是两
种特殊的叶片正面不疏水而叶片背面超疏水的沙漠植物．
本文通过接触角测试仪、扫描电子显微镜和表面张力测试仪分别对霸王鞭和麒麟掌叶片的超疏水
性、表面微观形貌和表面黏附力［12］进行了测试和表征，发现该叶片具有超疏水性及高黏性，且背面具
有特殊的平均间距为 1 ～ 3 μm 的层片状的微米结构． 采用模板法［13］用聚乙烯醇(PVA)和聚苯乙烯
(PS)合成出具有类似结构的薄膜并进行了表征，结果表明，这种特殊的层片状的微米结构可以构建出
具有超疏水性和高黏性的表面．
1 实验部分
1． 1 试剂与仪器
麒麟掌叶片和霸王鞭叶片均采自北京植物园温室，所选叶片生长良好且无病变，均采自距叶片边
缘 30 ～ 50 mm处，且避免叶脉;PVA(阿法埃莎公司，纯度 99. 9%，分子量 55000) ;PS(阿拉丁公司，
分子量 280000) ;三氯甲烷(天津市化学试剂三厂，分析纯) ;去离子水(电导率 18. 2 MΩ·cm)．
美国 Phenom公司 Phenom G2 型台式扫描电子显微镜;德国 Dataphsics公司 OCA15pro型视频光学
接触角测试仪;德国 Dataphsics 公司 DCAT11 型表面界面张力仪;上海一恒科学仪器有限公司真空干
燥箱．
1． 2 实验过程
将实验中所用玻璃仪器及搅拌子在去离子水中用超声波振荡 15 min 以上，换水后再振荡 15 min
以上，然后依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥后备用．
1． 2． 1 叶片遴选与采集 将水滴滴于各类叶片的表面上进行定性观察，并把表观性能较好的植物叶
片采下，置于培养皿中，用保鲜袋包好，防止叶片表面与其它物体接触．
1． 2． 2 叶片性能及表面表征 叶片接触角的表征、黏附力的测试和叶片干燥均在采集叶片后 6 h内完
成． 其中接触角测试水滴体积为 3 μL，黏附力测试水滴体积为 6 μL． 叶片于 60 ℃真空干燥 48 h 后进
行形貌表征．
1． 2． 3 叶片表面的复制及测试 选取结构典型的叶片进行复制． 将 PVA和去离子水按质量比为1 ∶ 10
溶解后，于 80 ℃油浴锅中恒温搅拌 6 h，再用 28 目铁丝网过滤 PVA溶液． 叶片用贴纸紧贴于载玻片，
将 PVA滤液滴于叶片表面上，液膜厚约 1 mm，静置成膜 48 h后将 PVA膜撕下与叶片表面分离． 将 PS
和三氯甲烷按照质量比为 4 ∶ 30 溶解，常温搅拌 20 min，静置去气泡 3 min 后将 PS 溶液滴于 PVA 膜
上，常温静置 3 h，待膜干燥后揭下． 对所得 PVA膜和 PS膜进行形貌观测，对 PS膜进行接触角测试和
黏附力测试．
2 结果与讨论
2． 1 叶片测试及表征
2． 1． 1 叶片疏水性测试 图 1 为霸王鞭和麒麟掌叶片正面［图 1(A) ，(B) ］和叶片背面［图 1(C) ，
(D) ］的静态接触角图片． 测试时水滴大小均选用 3 μL． 从图 1 可以看出，霸王鞭和麒麟掌叶片背面均
为超疏水，其中霸王鞭叶片背面的接触角达到了 153°，麒麟掌叶片背面的接触角达到了 154°，且叶片
背面对水滴均具有较高的黏附力，在翻转 180°时水滴不滚落［图 1(C)和(D)插图］． 而霸王鞭叶片正
面的接触角为 84°，麒麟掌叶片正面的接触角为 88°，若疏水与不疏水以接触角为 65°为界，则 2 种叶
片正面均为疏水，但疏水性很小．
Fig． 1 Pictures of contact angle of the right side(A，B)and the reverse side(C，D)of Euphorbia
antiquorum leaf(A，C)and Euphorbia neriifolia var． cristata leaf(B，D)
Insets in (C)and (D)are the pictures of the reverse side of Euphorbia antiquorum leaf and Euphorbia neriifolia
var． cristata leaf when rotated 180°．
2． 1． 2 叶片表面黏附力测试 图 2(A)和(B)分别是霸王鞭和麒麟掌叶片背面的表面黏附力测试曲
线． 霸王鞭和麒麟掌叶片背面的表面黏附力分别为 109 和 142 μN，表明麒麟掌和霸王鞭叶片背面均具
有较大的黏附力．
2． 1． 3 叶片形貌表征 叶片在干燥脱水过程中其表面微结构的主要特征不会发生变化，因此将当天
采集的叶片恒温干燥脱水处理 48 h后，用电子显微镜对其形貌进行了表征． 通过任取 3 条直线并计数
凸起数，得到凸起平均间距． 霸王鞭叶片正面有平均间距为 1 ～ 6 μm 的大小不一的微米级凸起，凸起
成不规则圆圈状或棱状［图 3(A) ］;叶片背面有平均间距为 1 ～ 2 μm 的层片状凸起，排成直线或聚集
成簇，无明显的分级结构［图 3(B) ］． 麒麟掌叶片正面与霸王鞭叶片正面表面形貌类似，有不规则棱
状和圆圈状凸起，间距大小不一，为 1 ～ 6 μm［图 3(C) ］，叶片背面和霸王鞭背面的微观结构类似，有
平均间距为 1 ～ 3 μm的层片状凸起，排成直线或聚集成簇，无明显的分级结构［图 3(D) ］． 由于叶片
正反两面的化学成分均为蜡质，成分差别不大，故由形貌特征可以推测间距为1 ～ 3 μm的层片状的微
565No． 3 张诗妍等:霸王鞭和麒麟掌叶片的表面微结构及超疏水性
观结构图案放大了叶片背面的疏水性，产生了超疏水性．
Fig． 2 Graph of adhesive force of the reverse side of Euphorbia antiquorum leaf(A)and
Euphorbia neriifolia var． cristata leaf(B)
Fig． 3 SEM images of the right side(A，C)and the reverse side(B，D)of Euphorbia antiquorum
leaf(A，B)and Euphorbia neriifolia var． cristata leaf(C，D)
2． 2 仿生 PS薄膜测试及表征
2． 2． 1 仿生 PS薄膜疏水性测试 图 4(A)和(B)分别是以霸王鞭叶片背面和麒麟掌叶片背面为模板
的 PS薄膜的静态接触角图片． 其中以霸王鞭叶片背面为模板的 PS薄膜的静态接触角达到了 144°，以
麒麟掌叶片背面为模板的 PS薄膜的静态接触角达到了 140°． 图 4(C)是光滑无结构的 PS 薄膜的静态
接触角图片，其接触角为 91°，为疏水表面． 有微观结构的 PS 薄膜的疏水性远大于光滑无结构的 PS
薄膜．
Fig． 4 Pictures of contact angle of PS films
(A)The copy of the reverse side of Euphorbia antiquorum leaf; (B)the copy of the reverse side of
Euphorbia neriifolia var． cristata leaf; (C)no structure．
2． 2． 2 仿生 PS薄膜表面黏附力测试 图 5 为仿生 PS薄膜的表面黏附力测试曲线． 图 5(A)和(B)分
别是以霸王鞭叶片背面和麒麟掌叶片背面为模板的 PS薄膜的表面黏附力测试曲线． 测试后，2 种薄膜
上均有水滴残留． 从图可以看出，仿霸王鞭薄膜的最大黏附力达到 500 μN以上，仿麒麟掌薄膜的最大
黏附力达到 200 μN以上，表明 2 种薄膜表面的黏附力均较大．
2． 2． 3 仿生聚苯乙烯薄膜形貌表征 图 6(A)是以霸王鞭叶片背面为模板的 PS 薄膜的电镜照片． 可
见薄膜表面有平均间距为 1 ～ 2 μm的层片状凸起，与霸王鞭叶片背面的微观结构类似，比较完整且真
实地复制了霸王鞭叶片背面的微观结构． 图 6(B)是以麒麟掌叶片背面为模板的 PS 薄膜的电镜照片．
665 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol． 33
Fig． 5 Graph of adhesive force of PS films
(A)The copy of the reverse side of Euphorbia antiquorum leaf; (B)the copy of the reverse side of
Euphorbia neriifolia var． cristata leaf．
可见薄膜表面有平均间距为 1 ～ 3 μm的层片状凸起，与麒麟掌有类似的微观结构，但层片状凸起的形
貌略有不同，这可能是由于复制时复形不完全造成的． 图 6(C)是以霸王鞭叶片背面为模板的 PVA 反
模板的电镜照片． 可见有平均间距为 1 ～ 3 μm 的条状空洞． 图 6(D)是以麒麟掌叶片背面为模板的
PVA反模板的电镜照片． 由形貌表征结果并结合上述分析可以看出，霸王鞭和麒麟掌叶片背面的平均
间距为 1 ～ 3 μm片层状微观结构是一种比较理想的超疏水图案．
Fig． 6 SEM images of PS(A，B)and PVA(C，D)films
(A) ，(C)The copies of the reverse side of Euphorbia antiquorum leaf; (B) ，(D)the copies of the
reverse side of Euphorbia neriifolia var． cristata leaf．
3 结 论
通过模板法仿制出了类似霸王鞭和麒麟掌叶片背面微观结构的聚苯乙烯薄膜，发现叶片背面的片
层状微观结构使得叶片背面上的液滴具有高接触角和高黏附力的特点，所以其上的液滴处于一种稳定
平衡状态，符合 Wenzel模型［9］． 由于植物叶片背面是植物发生叶片蒸腾作用的主要场所，提高叶片背
面的疏水性可能是植物提高蒸腾作用效率的有效方式［14］．
参 考 文 献
［1］ JIANG Lei(江雷) ，FENG Lin(冯琳)． Bionspired Intallegent Nanostructured Interfacial Materials(仿生智能纳米界面材料) ［M］，Bei-
jing:Chemical Industry Press，2007:2—43
［2］ WANG Nü(王女) ，ZHANG Jing-Nan(张京楠) ，CHEN Hong-Yan(陈洪燕) ，ZHAO Yong(赵勇) ，CAO Xin-Yu(曹新宇) ，YANG
Qing-Lin(杨青林) ，MA Yong-Mei(马永梅) ，JIANG Lei(江雷)． Chem． J． Chinese Universities(高等学校化学学报) ［J］，2010，
31(2) :227—230
［3］ Sun T．，Feng L．，Gao X．，Jiang L． ． Acc． Chem． Res．［J］，2005，38(8) :644—652
［4］ Ludmila B．，Alexandre M． E．，Andrei S． P． ． Appl． Mater． Interf．［J］，2010，2(6) :1754—1758
［5］ Yong-Bum P．，Maesoon I．，Hwon I．，Yang-Kyu C． ． Langmuir［J］，2010，26(11) :7661—7664
［6］ Feng L．，Song Y．，Zhai J．，Liu B．，Xu J．，Jiang L．，Zhu D． ． Angew． Chem． Int． Ed．［J］，2003，42(7) :800—802
［7］ Wang C．，Yao T．，Wu J．，Ma C．，Fan Z．，Wang Z．，Cheng Y．，Lin Q．，Yang B． ． Appl． Mater． Interf．［J］，2009，1(11) :2613—
765No． 3 张诗妍等:霸王鞭和麒麟掌叶片的表面微结构及超疏水性
2617
［8］ Rioboo R．，Voué M．，Vaillant A． ． Langmuir［J］，2008，24(17) :9508—9514
［9］ DU Chen-Guang(杜晨光) ，XIA FAN(夏帆) ，WANG Jian-Tao(王建涛) ，WANG Jing-Xia(王京霞) ，SONG Yan-Lin(宋延林) ，
JIANG Lei(江雷)． Chem． J． Chinese Universities(高等学校化学学报) ［J］，2010，31(3) :421—431
［10］ Feng L．，Li S．，Li Y．，Li H．，Zhang L．，Zhai J．，Song Y．，Liu B．，Jiang L．，Zhu D． ． Adv． Mater．［J］，2002，14(24) :1857—
1860
［11］ Feng L．，Li S．，Li Y．，Jiang L．，Zhu D．，Zhu Y．，Wang N．，Xia F．，Jiang L． ． Langmuir［J］，2008，24(8) :4114—4119
［12］ Christian W．，Jan E．，Christian R．，Andreas S． ． Microsyst． Technol．［J］，2011，17(8) :1401—1406
［13］ Xi J．，Jiang L． ． Industrial ＆ Engineering Chemistry Research［J］，2008，47(17) :6354—6357
［14］ YU Gui-Rui(于贵瑞) ，WANG Qiu-Feng(王秋凤)． The Physiology of Photosynthesis，Transpiration and Water Use(植物光合、蒸腾与
水分利用的生理生态学) ［M］，Beijing:Science Press，2010:35—220
Surface Microstructure and Superhydrophobic Abilities of
Euphorbia Antiquorum and Euphorbia
Neriifolia var． Cristata Leaves
ZHANG Shi-Yan，GAO Chang-Rui，DI Huan-Yu，FENG Lin*
(Department of Chemistry，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
Abstract Euphorbia antiquorum and Euphorbia neriifolia var． cristata are desert plants with superhydropho-
bic abaxial epidermis of leaves and hydrophobic adaxial epidermis of leaves． Using contact angle meter，SEM
and surface tension tester，we tested the superhydrophobicity，observed the surface microstructure and mea-
sured the surface adhesion of their leaves． We mimicked the microstructure of the leave’s surface through the
solvent-evaporation-driven nano-imprint pattern transfer process，using polyvinyl alcohol(PVA)as template
and polystyrene(PS)as substrate to acquire a PS film． By studying on the superhydrophobicity，surface mi-
crostructure and the surface adhesion of the film，we discovered that superhydrophobic and high-adhesive film
can be built by lamellar microstructure with an average protrusion distance of 1—3 μm．
Keywords Euphorbia antiquorum;Euphorbia neriifolia var． cristata;Superhydrophobic ability;Microstruc-
ture
(Ed．:F，K，M)
865 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol． 33