Wetting Resistance at Its Topographical Limit: The Benefit of Mushroom and Serif T Structures

润湿 表面张力 背景(考古学) 材料科学 化学 复合材料 纳米技术 化学物理 生物 物理 热力学 古生物学
作者
René Hensel,Ralf Helbig,Sebastian Aland,Hans‐Georg Braun,Axel Voigt,Christoph Neinhuis,Carsten Werner
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:29 (4): 1100-1112 被引量:227
标识
DOI:10.1021/la304179b
摘要

Springtails (Collembola) are wingless arthropods adapted to cutaneous respiration in temporarily rain-flooded habitats. They immediately form a plastron, protecting them against suffocation upon immersion into water and even low-surface-tension liquids such as alkanes. Recent experimental studies revealed a high-pressure resistance of such plastrons against collapse. In this work, skin sections of Orthonychiurus stachianus are studied by transmission electron microscopy. The micrographs reveal cavity side-wall profiles with characteristic overhangs. These were fitted by polynomials to allow access for analytical and numerical calculations of the breakthrough pressure, that is, the barrier against plastron collapse. Furthermore, model profiles with well-defined geometries were used to set the obtained results into context and to develop a general design principle for the most robust surface structures. Our results indicate the decisive role of the sectional profile of overhanging structures to form a robust heterogeneous wetting state for low-surface-tension liquids that enables the omniphobicity. Furthermore, the design principles of mushroom and serif T structures pave the way for omniphobic surfaces with a high-pressure resistance irrespective of solid surface chemistry.
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