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【摘 要】本文介绍接触角滞后现象的主要教学内容，并对本节内容的教学方法进行探讨，提出采用讲解课本知识、介绍科研实例以及穿插科教视频的模式来开展教学，在理论联系实际的基础上对知识点进行讲解。
【关键词】接触角滞后 多元化教学 理论联系实际
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）01C-0148-02
材料表界面课程是我校材料化学专业开设的专业选修课，使用教材为华东理工大学出版社出版的《材料表界面》（第二版）。主要包括两大部分内容：第一部分是表界面化学知识，包含液体界面、固体表面、固液界面以及表面活性剂四章内容。第二部分为四大类材料，即高分子材料、金属材料、无机非金属材料以及复合材料在应用中涉及的基本表界面问题。固液界面一章中“接触角滞后现象”知识点与很多生活现象密切联系，其中介绍的Wenzel方程和Cassie方程是目前功能材料开发热点领域，即超浸润表界面材料领域的理论基础。为了将理论联系实际，达到学以致用的最终目的，本部分知识点的教学采用讲解课本知识、介绍科研实例以及穿插科教视频的多元化教学模式来完成，取得了较好的教学效果。
一、基本知识的介绍
基础知识学习中第一部分内容为滞后现象中前进角、后退角，以及最大前进角和最小后退角四个基本概念的理解。在播放Flash动画实例演示向液滴里面增加和减少液体量时，液体边界面以及液体体积变化过程的基础上，对上述四个概念进行了解释。并在理解概念的基础上介绍了斜坡法测量最大接触角和最小后退角的方法。
滞后现象的原因剖析为第二部分知识要点。滞后现象的主要原因为：固体表面的粗糙度；固体表面的不均匀性和多相性；固体表面的污染。通过图解和公式推导相结合的教学方法引入了Wenzel方程Cosθw= rCosθy（θw为Wenzel接触角，r为表面粗超度系数，θy为杨氏接触角），和Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+f2cosθ2（f1和f2为第1种和第2种物质的面积分数，θ1和θ2为液体在第1种和第2种物质表面上的真实接触角）。由Wenzel方程可知当θy< 90°时，表面粗糙化将使接触角更小；当θy> 90°时，表面粗糙化将使接触角变大。而在Cassie公式中低表面能物质所占表面积分数越大，整个材料表面体现出的宏观接触角越大，反之则越小。由此总结出开发超浸润材料的理论依据，第一是需要较大的表面粗糙度，第二是可以通过改变复合界面各相的面积百分比来调控材料表面的宏观浸润性能。而引起滞后现象的第三个因素——固体表面的污染可以通过前两个因素加以解释。污染物既可以增加表面粗糙度，又可以使表面变成非均相表面，从而导致了接触角滞后现象。
基于以上学习，总结可知样品的表面状态对接触角的测试有很大影响，比如表面吸附油污则会影响表面的均匀性从而影响接触角的数据，而试样表面粗糙度不一致也可能会影响接触角的数据可比性。所以在測定时，要尽可能控制温度、湿度、液体的蒸汽压以及固体表面的清洁度和粗糙度等因素，以便获得更为准确的数据。
二、超浸润材料介绍
在理解接触角滞后现象的成因后，能运用原理指导特殊浸润性固体表面的构筑，才真正达到了学以致用的目的。因此选用了最为典型的仿生超浸润材料的科研进展和开发实例进行了介绍。
在仿生超疏水材料方面，主要以荷叶、蝉翼以及水黾腿为代表进行了介绍。为了剖析结构与性能之间的本质联系，利用微观分析手段如透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜等研究其微观结构，发现它们在表面微观结构上的共同点为微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构，而在表面能方面的共同点为材料本身是以碳氢元素为基本元素的低表面能物质。因此总结出构筑疏水材料的两个要素：低表面能物质，微纳米粗糙表面微观结构。而这两个要素的理论基础正是前面所学的Wenzel公式。低表面能物质本身对水的接触角大于90°，因此对应于Wenzel方程中θy>90°的情况，表面粗糙化将使接触角变大，当接触角大于150°就达到了超疏水状态。而科研实例也证明用电纺丝、模板法等技术制备的粗糙低表面能聚合物，可以成功获得超疏水的效果。用溶胶凝胶、表面沉积以及化学蚀刻等方法制备粗糙微纳米结构再结合低表面物质（如长链烷烃、氟硅烷等）自组装修饰，也可以得到超疏水表面，这些实例印证了Wenzel公式关于超疏水表面构筑要素的理论原理。并在此基础上给同学们简要介绍了超疏水材料在一些应用领域：如沙漠集水、远洋轮船涂料、建筑玻璃、冰箱内壁、天然气管道以及微量注射器的应用原理。
超亲水方面的研究方面主要以天鹅绒竹竿和紫叶芦莉草等为代表进行了介绍。表面的结构分析表明高表面能和表面粗糙度或孔隙率是制备超亲水表面的关键参数。可以通过在亲水材料表面构建微纳粗糙或多孔结构制备超亲水表面，这正好对应于Wenzel方程θy< 90°时的情况，表面粗糙化将使接触角更小；而且接触角越小，表面粗糙度的影响越大。构筑超亲水表面的第二种途径是利用紫外光或可见光照射光敏性材料，如TiO2、ZnO和 SnO2 等。如TiO2 在紫外光照射下，在氧化物表面形成氧空位，以捕获空气中的水分子形成表面羟基，进一步吸附空气中的水分，在缺陷的周围形成高度亲水的微区，虽然其余区域仍保持疏水性，但亲水表面积远大于疏水微区面积，因此在宏观上表现出超亲水特性。这对应于Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2，高表面能物质的面积分数足够大时，可以使整个表面的宏观浸润性表现为超亲水。超亲水表面具有自清洁、高效热传导和优良的生物相容性等优点，在很多领域都表现出潜在的应用前景，如玻璃防污、设备防雾、医学设备及材料，油水分离等。在课程上对这些领域超亲水材料的应用原理也进行了简要介绍。
通过对以上超浸润材料开发实例的了解，激发了同学们的学习兴趣、发散思维和创造性思维。同学们将理论联系实际，更为深刻地认识了接触角滞后现象的理论原理以及实际应用，同时也是对学生学以致用综合能力的培养。 三、视频教学扩展思路
在本课程的最后播放了两段小视频，第一段是美国宇航局基于荷花自清洁功能开发防尘宇航服的视频。该视频的解说中提到了导致荷叶超疏水自清洁特性的两个关键因素：一是荷叶表面的微纳米结构，二是水滴与荷叶表面实际固液接触面积只占固液界面的1%，其余部分为水滴和空气的接触面。然而在视频中没有直接联系理论公式进行解释。因此观看这段视频之后，在课堂上设计了讨论环节，让同学们思考并讨论如何用公式中的理论解释视频中提到的以上两个关键因素。大多数同学都能将微纳米粗糙结构和Wenzel方程联系起来，但却少有学生联系公式解释空气的作用。因此在这里对学生进行了提示，由于微纳米粗糙结构中保留了空气，这些部位水滴不是直接跟荷叶接触，而是跟空气接触，形成水气界面，而水在空气环境中接触角近似于180°，且该部分面积占到约99%，因此代入Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2 后，使得荷叶表现出来的宏观接触角大大增加，达到超疏水的要求。这里通过视频的观看和讨论思考，对第二部分学习内容又进行了进一步补充：对于超浸润性表面，要将Wenzel方程和Cassie方程联系起来分析，粗糙度和非均匀性两种因素共同作用改变表面的浸润性能，让同学们对超浸润现象有了更为综合的认识。
播放的第二段视频为关于壁虎的视频，介绍了壁虎腿上微精细的绒毛结构。由于绒毛的表面积非常之大，因此和接触面之间产生了巨大的范德华作用力，以至于可以克服重力在屋顶天花板上爬行，并介绍了基于此原理开发超强微纳米粘附阵列的一些研究实例。观看完视频后，对视频内容进行了回顾，在此基础上对课堂内容进行了总结。基于前面章节介绍的粘附功和Young-Dupre公式， 回顾了固液界面浸润现象的本质，即为固体表面分子对液体分子的分子间作用力，分子间作用力强便可以吸引水分子铺展，获得好的浸润性，反之则反。而壁虎实例中超强的固固界面结合强度同样来源于两种固相之间的分子间作用力。进一步总结，课程中所学过的所有界面现象，包括固液、液气、固气以及固固界面现象，均可以从最本质的分子间作用力的角度进行理解和分析。这也是我们哲学中所说的透过现象看本质，抓住本质、掌握规律，便可对相关的现象深入理解，最终达到学以致用、融会贯通的效果。
通过传统课本知识讲解模式、再辅以科研实例介绍以及科教视频穿插的多元化教学模式完成接触角滞后现象的教学内容，充分调动了学生的学习积极性，培养了学生独立思考问题的能力，擴宽了学生的知识面。将理论公式的学习融入相关实践实例和科研发展动态的了解中，达到了对知识点透彻理解、融会贯通的效果，同时也激发了同学们的好奇心和对科研探索的兴趣。
【参考文献】
[1]胡福增，陈国荣，杜永娟.材料表界面（第二版）[M].上海：华东理工大学出版社，2007
[2]赵晓非，杨明全，章磊等.仿生超疏水表面的制备与应用的研究进展[J].化工进展，2016（9）
[3]李小红，丁彬，俞建勇.静电纺制备超疏水表面纤维膜的研究进展[J].合成纤维，2009（11）
[4]张诗妍，高常锐，狄桓宇等.霸王鞭和麒麟掌叶片的表面微结构及超疏水性[J].高等学校化学学报，2012（3）
[5]李艳峰，于志家，于跃飞等.铝合金基体上超疏水表面的制备[J].高校化学工程学报，2008（1）
[6]杨卧龙，纪献兵，徐进良.从自然到仿生到实际应用的超亲水表面[J].化学进展，2016（6）
（责编 丁 梦）
【关键词】接触角滞后 多元化教学 理论联系实际
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）01C-0148-02
材料表界面课程是我校材料化学专业开设的专业选修课，使用教材为华东理工大学出版社出版的《材料表界面》（第二版）。主要包括两大部分内容：第一部分是表界面化学知识，包含液体界面、固体表面、固液界面以及表面活性剂四章内容。第二部分为四大类材料，即高分子材料、金属材料、无机非金属材料以及复合材料在应用中涉及的基本表界面问题。固液界面一章中“接触角滞后现象”知识点与很多生活现象密切联系，其中介绍的Wenzel方程和Cassie方程是目前功能材料开发热点领域，即超浸润表界面材料领域的理论基础。为了将理论联系实际，达到学以致用的最终目的，本部分知识点的教学采用讲解课本知识、介绍科研实例以及穿插科教视频的多元化教学模式来完成，取得了较好的教学效果。
一、基本知识的介绍
基础知识学习中第一部分内容为滞后现象中前进角、后退角，以及最大前进角和最小后退角四个基本概念的理解。在播放Flash动画实例演示向液滴里面增加和减少液体量时，液体边界面以及液体体积变化过程的基础上，对上述四个概念进行了解释。并在理解概念的基础上介绍了斜坡法测量最大接触角和最小后退角的方法。
滞后现象的原因剖析为第二部分知识要点。滞后现象的主要原因为：固体表面的粗糙度；固体表面的不均匀性和多相性；固体表面的污染。通过图解和公式推导相结合的教学方法引入了Wenzel方程Cosθw= rCosθy（θw为Wenzel接触角，r为表面粗超度系数，θy为杨氏接触角），和Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+f2cosθ2（f1和f2为第1种和第2种物质的面积分数，θ1和θ2为液体在第1种和第2种物质表面上的真实接触角）。由Wenzel方程可知当θy< 90°时，表面粗糙化将使接触角更小；当θy> 90°时，表面粗糙化将使接触角变大。而在Cassie公式中低表面能物质所占表面积分数越大，整个材料表面体现出的宏观接触角越大，反之则越小。由此总结出开发超浸润材料的理论依据，第一是需要较大的表面粗糙度，第二是可以通过改变复合界面各相的面积百分比来调控材料表面的宏观浸润性能。而引起滞后现象的第三个因素——固体表面的污染可以通过前两个因素加以解释。污染物既可以增加表面粗糙度，又可以使表面变成非均相表面，从而导致了接触角滞后现象。
基于以上学习，总结可知样品的表面状态对接触角的测试有很大影响，比如表面吸附油污则会影响表面的均匀性从而影响接触角的数据，而试样表面粗糙度不一致也可能会影响接触角的数据可比性。所以在測定时，要尽可能控制温度、湿度、液体的蒸汽压以及固体表面的清洁度和粗糙度等因素，以便获得更为准确的数据。
二、超浸润材料介绍
在理解接触角滞后现象的成因后，能运用原理指导特殊浸润性固体表面的构筑，才真正达到了学以致用的目的。因此选用了最为典型的仿生超浸润材料的科研进展和开发实例进行了介绍。
在仿生超疏水材料方面，主要以荷叶、蝉翼以及水黾腿为代表进行了介绍。为了剖析结构与性能之间的本质联系，利用微观分析手段如透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜等研究其微观结构，发现它们在表面微观结构上的共同点为微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构，而在表面能方面的共同点为材料本身是以碳氢元素为基本元素的低表面能物质。因此总结出构筑疏水材料的两个要素：低表面能物质，微纳米粗糙表面微观结构。而这两个要素的理论基础正是前面所学的Wenzel公式。低表面能物质本身对水的接触角大于90°，因此对应于Wenzel方程中θy>90°的情况，表面粗糙化将使接触角变大，当接触角大于150°就达到了超疏水状态。而科研实例也证明用电纺丝、模板法等技术制备的粗糙低表面能聚合物，可以成功获得超疏水的效果。用溶胶凝胶、表面沉积以及化学蚀刻等方法制备粗糙微纳米结构再结合低表面物质（如长链烷烃、氟硅烷等）自组装修饰，也可以得到超疏水表面，这些实例印证了Wenzel公式关于超疏水表面构筑要素的理论原理。并在此基础上给同学们简要介绍了超疏水材料在一些应用领域：如沙漠集水、远洋轮船涂料、建筑玻璃、冰箱内壁、天然气管道以及微量注射器的应用原理。
超亲水方面的研究方面主要以天鹅绒竹竿和紫叶芦莉草等为代表进行了介绍。表面的结构分析表明高表面能和表面粗糙度或孔隙率是制备超亲水表面的关键参数。可以通过在亲水材料表面构建微纳粗糙或多孔结构制备超亲水表面，这正好对应于Wenzel方程θy< 90°时的情况，表面粗糙化将使接触角更小；而且接触角越小，表面粗糙度的影响越大。构筑超亲水表面的第二种途径是利用紫外光或可见光照射光敏性材料，如TiO2、ZnO和 SnO2 等。如TiO2 在紫外光照射下，在氧化物表面形成氧空位，以捕获空气中的水分子形成表面羟基，进一步吸附空气中的水分，在缺陷的周围形成高度亲水的微区，虽然其余区域仍保持疏水性，但亲水表面积远大于疏水微区面积，因此在宏观上表现出超亲水特性。这对应于Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2，高表面能物质的面积分数足够大时，可以使整个表面的宏观浸润性表现为超亲水。超亲水表面具有自清洁、高效热传导和优良的生物相容性等优点，在很多领域都表现出潜在的应用前景，如玻璃防污、设备防雾、医学设备及材料，油水分离等。在课程上对这些领域超亲水材料的应用原理也进行了简要介绍。
通过对以上超浸润材料开发实例的了解，激发了同学们的学习兴趣、发散思维和创造性思维。同学们将理论联系实际，更为深刻地认识了接触角滞后现象的理论原理以及实际应用，同时也是对学生学以致用综合能力的培养。 三、视频教学扩展思路
在本课程的最后播放了两段小视频，第一段是美国宇航局基于荷花自清洁功能开发防尘宇航服的视频。该视频的解说中提到了导致荷叶超疏水自清洁特性的两个关键因素：一是荷叶表面的微纳米结构，二是水滴与荷叶表面实际固液接触面积只占固液界面的1%，其余部分为水滴和空气的接触面。然而在视频中没有直接联系理论公式进行解释。因此观看这段视频之后，在课堂上设计了讨论环节，让同学们思考并讨论如何用公式中的理论解释视频中提到的以上两个关键因素。大多数同学都能将微纳米粗糙结构和Wenzel方程联系起来，但却少有学生联系公式解释空气的作用。因此在这里对学生进行了提示，由于微纳米粗糙结构中保留了空气，这些部位水滴不是直接跟荷叶接触，而是跟空气接触，形成水气界面，而水在空气环境中接触角近似于180°，且该部分面积占到约99%，因此代入Cassie方程Cosθc= f1Cosθ1+ f2cosθ2 后，使得荷叶表现出来的宏观接触角大大增加，达到超疏水的要求。这里通过视频的观看和讨论思考，对第二部分学习内容又进行了进一步补充：对于超浸润性表面，要将Wenzel方程和Cassie方程联系起来分析，粗糙度和非均匀性两种因素共同作用改变表面的浸润性能，让同学们对超浸润现象有了更为综合的认识。
播放的第二段视频为关于壁虎的视频，介绍了壁虎腿上微精细的绒毛结构。由于绒毛的表面积非常之大，因此和接触面之间产生了巨大的范德华作用力，以至于可以克服重力在屋顶天花板上爬行，并介绍了基于此原理开发超强微纳米粘附阵列的一些研究实例。观看完视频后，对视频内容进行了回顾，在此基础上对课堂内容进行了总结。基于前面章节介绍的粘附功和Young-Dupre公式， 回顾了固液界面浸润现象的本质，即为固体表面分子对液体分子的分子间作用力，分子间作用力强便可以吸引水分子铺展，获得好的浸润性，反之则反。而壁虎实例中超强的固固界面结合强度同样来源于两种固相之间的分子间作用力。进一步总结，课程中所学过的所有界面现象，包括固液、液气、固气以及固固界面现象，均可以从最本质的分子间作用力的角度进行理解和分析。这也是我们哲学中所说的透过现象看本质，抓住本质、掌握规律，便可对相关的现象深入理解，最终达到学以致用、融会贯通的效果。
通过传统课本知识讲解模式、再辅以科研实例介绍以及科教视频穿插的多元化教学模式完成接触角滞后现象的教学内容，充分调动了学生的学习积极性，培养了学生独立思考问题的能力，擴宽了学生的知识面。将理论公式的学习融入相关实践实例和科研发展动态的了解中，达到了对知识点透彻理解、融会贯通的效果，同时也激发了同学们的好奇心和对科研探索的兴趣。
【参考文献】
[1]胡福增，陈国荣，杜永娟.材料表界面（第二版）[M].上海：华东理工大学出版社，2007
[2]赵晓非，杨明全，章磊等.仿生超疏水表面的制备与应用的研究进展[J].化工进展，2016（9）
[3]李小红，丁彬，俞建勇.静电纺制备超疏水表面纤维膜的研究进展[J].合成纤维，2009（11）
[4]张诗妍，高常锐，狄桓宇等.霸王鞭和麒麟掌叶片的表面微结构及超疏水性[J].高等学校化学学报，2012（3）
[5]李艳峰，于志家，于跃飞等.铝合金基体上超疏水表面的制备[J].高校化学工程学报，2008（1）
[6]杨卧龙，纪献兵，徐进良.从自然到仿生到实际应用的超亲水表面[J].化学进展，2016（6）
（责编 丁 梦）