植物叶界面特征对拦截空气颗粒物的影响及环境指示9787030713780

前言

1 润湿的基本理论

 1.1 表面与表面自由能

 1.2 润湿现象与表征

 1.3 表观接触角与非光滑表面的润湿性

 1.4 固体表面自由能的估算

 1.5 固体润湿的性质与润湿热

 1.6 润湿剂

 1.7 植物叶面润湿性研究的生态学意义

2 植物叶面的润湿特征与影响因素

 2.1 植物叶面的润湿特征

 2.2 叶面蜡质与润湿性的关系

 2.3 叶面绒毛对润湿性的影响

 2.4 叶表气孔特征对润湿性的影响

 2.5 叶龄对润湿性的影响

3 植物叶面润湿性的时间和空间变化特征

 3.1 叶面润湿性的日变化特征

 3.2 叶面润湿性的季节变化特征

 3.3 叶面润湿性的地带性变化特征

4 超斥水叶面特征与叶面的层次结构

 4.1 叶面的超斥水特征与荷叶效应

 4.2 叶面微纳二级结构

 4.3 叶超斥水表面的微观机制

 4.4 植物叶的原子力显微镜观测

5 植物叶界面特征对拦截颗粒物的影响

 5.1 植物叶面对空气颗粒物的滞留

 5.2 天气状况对植物叶面滞留颗粒物的影响

 5.3 不同城市环境下植物叶面拦截颗粒物的变化

 5.4 植物叶面拦截颗粒物的季节变化

6 植物叶面润湿性对持水的影响

 6.1 植物叶片的优选持水量

 6.2 几种典型润湿性叶面上的液滴形态

 6.3 叶片优选持水量与叶面接触角的关系

 6.4 植物叶片能量特征与优选持水量

7 植物叶面对城市空气环境的指示

 7.1 植物叶解剖结构特征对城市空气环境的响应

 7.2 植物叶片波动性不对称对城市空气质量的响应

 7.3 叶片润湿性对空气环境质量的响应

参考文献

附录

1润湿的基本理论　　润湿是固体表面一种流体代替另一种流体的过程，一般所说的润湿主要指水在固体表面替代空气的过程（顾惕人等，1994）。植物叶面的润湿性是各种生境中常见的一种现象，表现了叶片对水的亲和能力；与润湿相对应的是不润湿——斥水性。植物叶面的润湿性对滞留、吸附、过滤空气污染物，截留降水及植物感染病虫害均具有重要影响；同时还为工程仿生设计或制造提供生物学信息（石辉等，2011a，2011b;Wang et al.，2013；Wang et al.，2015）。　　1.1表面与表面自由能　　表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于表面粒子（分子或原子）没有相邻的粒子，其物理性质和化学性质与固体内部明显不同。在稳定状态下，自然界的物质通常以气、液、固三相（形态）存在，任何两相或两相以上的物质共存时，会分别形成“气-液”“气-固”“液-液”“液-固”“固-固”乃至“气-液-固”多相界面，习惯上将“气-液”“气-固”的界面称为表面。在物质的内部，由于粒子受到周边粒子的作用和影响，相互作用抵消，使得内部的能量*低；而在物质的表面，由于缺乏相邻粒子的作用，聚集了比物质内部的粒子更多的能量。表面能就是表面这种分子间化学键破坏的一种度量。　　表面张力、表面过剩自由能是描述物体表面状态的物理量。表面层的液体分子都受到指向液体内部的引力作用，因此，要把液体分子从内部移至表面层中，必须克服这种引力做功，所做的功变成分子势能。这样，位于表面层内的液体分子，比起内部的液体分子，具有更大的势能。表面层中全部分子所具有的额外势能总和，称为表面能。表面能是内能的一种形式，液体的表面越大，具有较大势能的分子数越多，表面能就越大。　　液体表面或固体表面分子与其内部分子的受力情形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。以液体为例（图1-1），处在液体内部的分子，四周被同类分子所包围，受周围分子的引力是对称的，因而相互抵消，合力为零；处在液体表面的分子则不然，因为液相的分子密度远大于气相，致使合力不再为零，因而具有一定的量值且指向液体的内侧。由于这个拉力的存在，使得液体表面的分子，相对于液体内部分子处于较高能量态势，随时有向液体内部迁移的可能，处于一种不稳定的状态。液体表面分子受到的拉力形成了液体的表面张力，相对于液体内部所多余的能量，就是液体的表面过剩自由能。由于表面张力或表面过剩自由能的存在，在没有外力作用时，液体都具有自动收缩成为球形的趋势，这是因为在体积一定的几何形体中球体的表面能*小。系统处于稳定平衡时，势能*小。因此，一定质量的液体，其表面要尽可能收缩，使表面能*小。　　图1-1液体表面、内部分子的能量　　1.1.1液体的表面张力与表面自由能　　为了使整体能量趋向*小，液体表面一般表现出收缩其表面积的倾向。由于在等体积（等质量）的液体中，球体的表面积*小，因此一般的雨滴、水滴、露珠等往往呈现为球状。液体的表面张力就是使液体表面积收缩的拉力，表现为液体表面任意两相相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力，单位为N/m或mN/m。液体的表面张力作用点是在表面上，对于液体的弯曲面则为切线方向，*大的特点就是使表面收缩，其大小是单位长度上的力。　　肥皂膜实验是经典的表面张力观测实验（图1-2），当力达到平衡时，　　f=γ×2L（1-1）式中，f是外力；γ为比例系数，称为表面张力系数，简称表面张力；“2”是因为液膜有厚度，有两个面；L是长度。　　图1-2肥皂膜实验　　当液膜在外力f作用下移动dx距离，则做的功大小为δw=fdx；对于可逆过程，W=2Lγd。　　在恒温恒压的可逆过程中，所做的功等于体系吉布斯自由能的增量，即（1-2）于是（1-3）　　从式（1-2）中可以看出，γ为恒温恒压下增加单位表面积时体系吉布斯自由能的增量。因此，液体表面张力和表面自由能在数值上的相等，实质上体现了功和能的关系。单位之间存在J m2=N m/m2=N/m转换关系。　　物质本性是影响表面张力*主要的因素。在室温（20 ℃左右）条件下，水的表面张力为72 mN/m、汞的表面张力为470 mN/m，而大部分液体的表面张力在20～40 mN/m。液态金属的表面张力都比较大，1131℃液态铜的表面张力可高达1103 mN/m。一些在常温下为气态的元素，在低温下处于液态时，表面张力却很小，如温度为4.3 K时，液氦的表面张力仅有0.098 mN/m，当温度为90.2 K时，液氢的表面张力为0.2 mN/m。这种表面张力的差异，主要是由不同物质之间的分子作用力的不同所致。除物质的本性之外，温度和压力等也是影响液体表面张力的因素。一般随着温度的升高，大多数物质的表面张力下降，随着压力的增加而减小；同时液体中加入各物质会形成溶液从而对液体表面张力产生影响。